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Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Hamburg University of Applied Sciences

Fakultät Design, Medien und InformationDepartment Design

Bachelorarbeit

Ann-Kathrin Weiss

Smart Textiles:Entwicklung textiler Sensoren für intelligente Umgebungen

am Beispiel eines Sofas

Ann-Kathrin Weiss

Smart Textiles:Entwicklung textiler Sensoren für intelligente Umgebungen

am Beispiel eines Sofas

Bachelorthesis eingereicht im Rahmen der Bachelorprüfung

im Studiengang Bekleidung - Technik und Managementam Department Designder Fakultät Design, Medien und Informationder Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Betreuende Prüferin: Prof. Dipl.-Ing. Stefanie BahlmannZweitgutachter: Thomas Meyer zur Capellen

Abgegeben am 10. März 2011

INHALTSVERZEICHNIS iii

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Smart Textiles 22.1 Begriffserläuterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Smart Textiles als branchenübergreifendes Zusammenspiel . . . . . . . 32.3 Smart Textiles und Ubiquitous Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4 Smart Textiles im Kontext des Living Place . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Status Quo der textilen Sensortechnologie 73.1 Textile Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Vergleichbare Projekte mit Sensortechnologie . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2.1 Wealthy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2.2 Textile Tastatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.3 SeatSen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.4 Insitex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2.5 Textiler Sensoranzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Technologien und Komponenten der Sensorkissenbezüge 144.1 Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.1.1 Kapazitive Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1.2 Schirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1.3 Resistive Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Textile Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.3 Elektronische Komponenten und Software . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.3.1 Kapazitiver Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3.2 Resistiver Sensor 1 und 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5 Physikalische Prüfungen oberflächenleitfähiger textiler Flächengebilde undFäden 215.1 Scheuerbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.2 Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.3 Elektrischer Oberflächenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.4 Elektrische Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.5 Fixiertest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.6 Auswertung der Prüfungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6 Mustererstellung 386.1 Kapazitiver Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.1.1 Äußere Elektrode und Schirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.1.2 Muster 2: Innere Elektrode (Fläche) . . . . . . . . . . . . . . . . 406.1.3 Muster 3: Innere Elektrode (Streifen) . . . . . . . . . . . . . . . . 416.1.4 Muster 4: Verarbeitungsvarianten der Schirmung . . . . . . . . . 436.1.5 Muster 5: Innere Elektrode, Guard und Schirmung . . . . . . . . . 46

6.2 Resistiver Sensor 1: Dreilagenkostruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

INHALTSVERZEICHNIS iv

6.2.1 Muster 1: Sensor-Matrix nach Plusea . . . . . . . . . . . . . . . 496.2.2 Muster 2: Verarbeitungsvarianten der Sensorfäden . . . . . . . . 52

6.3 Resistiver Sensor 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556.3.1 Muster 1: Applizierte Mäanderform mit Zwischenlage . . . . . . . 556.3.2 Muster 2: Applizierte Spiralform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.4 Anschlüsse und Leiterbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.4.1 Metalldruckknöpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.4.2 Crimpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586.4.3 Leitfähige Klettverschlussverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7 Der Prototyp 617.1 Kapazitiver Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.2 Resistiver Sensor 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.3 Zusammenfassung der Prototypenfertigung . . . . . . . . . . . . . . . . 69

8 Gegenüberstellung der Sensortechnologien 71

9 Ausblick 74

Glossar 77

A Anhang 79A.1 Materialübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79A.2 Prüfung der Scheuerfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80A.3 Prüfung der Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81A.4 Oberflächenwiderstandsprüfung (unbehandelt) . . . . . . . . . . . . . . 82A.5 Oberflächenwiderstandsprüfung (behandelt) . . . . . . . . . . . . . . . . 83A.6 Kapazitätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84A.7 Belastungsstufen bei Plusea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.8 Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Abbildungsverzeichnis 91

Tabellenverzeichnis 93

Literaturverzeichnis 95

INHALTSVERZEICHNIS v

Danksagung

Die vorliegende Arbeit ist auf Grund der Zusammenarbeit mit Oliver Dreschke (Infor-matik) in dieser Form möglich gewesen. An dieser Stelle sei ihm für die produktive undstets interessante Kooperation gedankt.Meiner Erstprüferin Frau Professor Bahlmann möchte ich für die ausgezeichnete fach-liche Unterstützung danken. Des Weiteren sei meinem Zweitprüfer, Herrn Meyer zurCapellen, für seine jederzeit motivierende Zusprache gedankt.

Ein großes Dankeschön geht von Herzen an meinen lieben Schatz, der mir in die-ser Zeit eine starke, zuverlässige Stütze gewesen ist. Für seine Geduld und seinenunermüdlichen Einsatz, vor allem in der Endphase, sei ihm gedankt.

Darüber hinaus möchte ich meinen Eltern einen außerordentlichen Dank für ihrezuverlässige, aufmunternde Unterstützung aussprechen. Sie haben mir den Rückenfreigehalten und damit das Studium in dieser Form ermöglicht.

1 EINLEITUNG 1

1 Einleitung

Die vorliegende Arbeit entstand als interdisziplinäres Projekt des Studiengangs Beklei-

dung - Technik und Management und des Studiengangs Informatik. Die Zusammenar-

beit ermöglichte die Erweiterung des textilen Handlungsspielraums um Elektronik und

Software. Dabei wurden Materialien zusammengeführt, die ganz unterschiedliche phy-

sikalische Eigenschaften aufweisen und dadurch eine spannende Herausforderung bei

der Umsetzung darstellten.

Um Smart Textiles zu schaffen, ist es notwendig, die textilen Flächengebilde in adaptiver

und integrativer Form zu erweitern. Dies geschieht durch die Entwicklung und Verwen-

dung von textilen Sensoren, die aus einem Sofa ein intelligentes Möbelstück werden

lassen. Projektpartner war der Masterstudent Oliver Dreschke (Informatik) aus der Fa-

kultät Technik und Informatik (HAW).

Die Smart Textiles agieren als Sensoren und ermöglichen die Detektierung von Position

und Gewicht unterschiedlicher Objekte auf einem Sofa. Für die Umsetzung der texti-

len Sensoren wurden ein kapazitives sowie ein resistives Wirkungsprinzip ausgewählt.

Physikalische Prüfungen mit vier ausgewählten Materialien flankierten die Suche einer

geeigneten textilen Fläche für den kapazitiven Sensor. Sie gaben Aufschluss über textile

und elektrische Eigenschaften und ergänzen die Erkenntnisse der Entwicklungsphase.

Des Weiteren wurden Musterfragmente entwickelt, die zur Erprobung von Aufbau und

Funktionsweise der Sensortypen dienten. Für die Konstruktion von Leiterbahnen und

Anschlüssen mussten unterschiedliche Verfahren getestet werden. Abschließend erfolg-

te die Prototypenfertigung der Kissenbezüge. Die Sensorprototypen sind als Unterkis-

senbezüge für das dreiteilige Ecksofa im Living Place Hamburg (HAW) vorgesehen, die

Technologie ist jedoch bei fast jedem Sofa mit abnehmbaren Polsterbezügen anwendbar.

2 SMART TEXTILES 2

2 Smart Textiles

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit Smart Textiles. Dabei wird der Begriff anfangs de-

finiert und eine Einstufung im Zusammenhang mit verschiedenen Intelligenzstufen von

Textilien durchgeführt. Anschließend werden der Entstehungsrahmen von Smart Textiles

erläutert und deren Entwicklungspotenzial aufgeführt. Das Kapitel wird mit einer Betrach-

tung von Smart Textiles im Kontext einer intelligenten Wohnumgebung, dem Living Place

Hamburg, abgeschlossen.

2.1 Begriffserläuterung

Smart Textiles - schlaue Textilien haben neben ihren spezifischen Eigenschaften als bie-

geschlaffes Material erweiterte Eigenschaften. Diese entstehen wie Abbildung 1 zeigt

durch die Integration oder Adaption elektronischer Bauteile wie Sensoren und Aktua-

toren. In einem weiteren Fall wird das Textil selbst als Sensor oder Aktuator genutzt.

Dafür erfolgt eine Modifizierung durch konstruktionelle, ausrüstungstechnische oder ferti-

gungstechnische Bearbeitung. Smart Textiles wirken interaktiv mit ihrer Umgebung. Eine

Aktion oder Reaktion kann durch das Einwirken eines Anwenders oder einer systemtech-

nischen Anweisung ausgelöst werden. In der Fachliteratur häufig synonym verwendete

Begrifflichkeiten sind:

• Clever Textiles - Schlaue Textilien

• Intelligent Textiles - Intelligente Textilien

• Computational fabrics - computerisierte Stoffe

• Electronic Textiles (E-Textiles) - Textilien mit integrierter Elektronik

• Interactive Textiles (i-textiles) - interaktive Textilien

Auf dem Markt wird der Begriff Smart Textiles z.T. aus Marketingaspekten eingesetzt,

ohne der effektiven Funktion des Textils gerecht zu werden. Dies schafft Unklarheiten

beim Konsumenten und erfordert eine eindeutige Einordnung. Die Intelligenzhierarchie

nach dem Wissenschaftler Newnham (Newnham, Prof Robert E., 2005), der sich u.a.

mit smarten Materialien beschäftigt, versucht eine Einteilung von Textilien in acht Stufen

anhand ihres Intelligenzniveaus. Relevant sind dabei die Stufen von smart bis wise, bei

denen die Textilien auf ihre Umgebung reagieren oder selbst zum Akteur werden.

In der vorliegenden Arbeit wird der Begriff Smart Textiles für textile Flächengebilde mit

sensorischen Fähigkeiten eingesetzt. Diese werden durch den konstruktionellen Aufbau

2 SMART TEXTILES 3

Abbildung 1: Intelligenzhierarchie nach Newnham (Vargas, 2009)

der Fläche (Einarbeitung von Metallfasern), Strang-Veredlung (vollflächige Versilberung

der Einzelfasern) sowie Adaption (elektrisch leitfähige Fasern, elektronische Bauteile)

ermöglicht.

2.2 Smart Textiles als branchenübergreifendes Zusammenspiel

Smart Textiles entstehen meist als ein Produkt interdisziplinären Forschens. In Anleh-

nung bereits vorhandener Hardware und Substanzen aus Mikroelektronik, Nanotechno-

logie, Optoelektronik und der Informations- und Kommunikationstechnologie wird nach

der Möglichkeit gesucht, deren Funktionsweise mit textilen Mitteln umzusetzen. Eine an-

dere Vorgehensweise besteht in der Anpassung der textilfremden Substanzen an das

biegeschlaffe Textil. Hierzu bedarf es meist der Miniaturisierung in Form von Nanoparti-

keln oder Mikrofasern. Durch das Zusammenspiel entstehen neue Handlungsspielräume

und Herausforderungen, die in der Vergangenheit in stärkerem Maße von der Elektro-

nikbranche als der traditionsbewussten Textilbranche als zukunftsweisend angenommen

wurden. Es zeigt sich, dass die Entwicklungsfortschritte von Smart Textiles insbesondere

durch die Innovation anderer Technologiebranchen bestimmt werden (Vargas, 2009).

2.3 Smart Textiles und Ubiquitous Computing

Smart Textiles können durch die Aufrüstung mit Computern höhere Intelligenz erhalten

und als intelligente Textilien menschliche Tätigkeiten unterstützen oder ersetzen. Es

existieren bereits verschiedene Projekte und marktreife Produkte, die eine Implementie-

rung von Computern erfolgreich durchgeführt haben. In diesem Zusammenhang kommt

der Begriff Ubiquitous Computing zum tragen. Ubiquitous Computing versteht sich als

2 SMART TEXTILES 4

allgegenwärtige, nahezu unsichtbare Computertechnik, die den Anwender durch künst-

liche Intelligenz im Alltag unterstützt.

Astrid Ullsperger, Juniorprofessorin für tragbare Elektronik und Rechentechnik an

der TU Cottbus, beschreibt ihre Vision für die Zukunft: „Die Computer stellen mir Infor-

mationen zur Verfügung, aber ich merke nicht, dass ich mit Computern lebe. Ich muss

mich nicht mehr um Software, Hardware, Schnittstellen und sonstige Details kümmern,

die Technik heute eher nervend für uns macht.“ (Vargas, 2009). In der Fachliteratur

spielen im Zusammenhang mit Ubiquitous Computing noch weitere Begrifflichkeiten

eine Rolle:

• Invisible Computing - unsichtbare Computeranwendung

• Tangible Computing - anfassbare Benutzerschnittstellen

• Ambient Awareness/ Intelligence - intelligente Lebensumgebung

• Pervasive Computing - durchdringende Computeranwendungen oder

• Augmented Reality - erweiterte Realität

Das Bundesforschungsministerium - BMBF zählt Augmented Reality zu den sechs

Schlüsseltechnologien der Wissensgesellschaft (Gundolf S Freyermuth, 2002). Auch die

Bundeszentrale für politische Bildung vertritt die Meinung, dass die Verwendung von

Informationstechnologie in Alltagsgegenständen zur Revolution des 21.Jahrhunderts

avanciert.

Im Hinblick auf die Unterstützung des Menschen mittels Technik entstand die in die-

ser Arbeit entwickelte Sensortechnologie. Durch eine Integration im Sofa lassen sich

verschiedene Funktionen steuern und die Anwendung in weiteren (Wohn)umgebungen

ermöglicht die Unterstützung bei verschiedenen Aufgaben (Vgl. Kap 9). Es soll gezeigt

werden, dass ein Umdenkprozess bezüglich der Einsatzmöglichkeiten und Fähigkeiten

von Textilien erforderlich ist und sich durch branchenübergreifendes Forschen großes

Entwicklungspotential ausschöpfen lässt.

2.4 Smart Textiles im Kontext des Living Place

Seit Januar 2009 entsteht an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW)

im Department Technik und Informatik im Zusammenspiel von Studenten, Professoren

2 SMART TEXTILES 5

und Unternehmen ein Forschungsplatz für ambient intelligence - intelligente Leben-

sumgebungen. Hauptsächlich unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und

Technologie (BMWi) sowie dem Wirtschaftsministerium werden angewandte IT-basierte

smart living Untersuchungen in realer Umgebung durchgeführt. Das Projekt ist Teil des

Programms „next generation media - vernetzte Arbeits- und Lebenswelten“, welches

dazu dient, Referenzmodelle und Best Practice Bespiele zu erproben, die Machbarkeit

sowie den wirtschaftlichen Nutzen aufzuzeigen und damit zur Nachahmung anzure-

gen (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 2010).

Hierzu dient eine wie in Abbildung 2 dargestellte 140 m2 große Loftwohnung in ei-

nem Bestandsgebäude des HAW Campus, die in die Bereiche Wohnen und Entwicklung

aufgeteilt ist.

Abbildung 2: Modell des Living Place mit Wohn- und Entwicklungsbereich (LPHH, 2010)

Abbildung 3: Der Wohnbereich im Li-

ving Place (LPHH, 2010)

Durch Benutzerschnittstellen sollen Interaktions-

modalitäten als natürliche Eingriffsmöglichkeiten

der Bewohner geschaffen werden. Eine Tangible

Computing - anfassbare Benutzerschnittstelle

von Elektronik und Textil ist das in Abbildung 3

gezeigte Sofa des Living Place. Dieses soll durch

die Sensortechnologie als intelligentes Sofa aus-

gerüstet werden.

Das Sofa Loren ist ein hochwertiges Ecksofa der

Firma Exil Wohnmagazin GmbH & Co.KG1 mit

drei Sitzelementen und Armlehen. Klare Linien

und eine verhaltene Materialstruktur verleihen

ihm eine moderne Optik. Das rechte Sitzkissen ist als Liegebereich gearbeitet. Beim

1www.exil-wohnmagazin.de

2 SMART TEXTILES 6

Bezug Aspen handelt es sich um ein grau-beige meliertes Flachgewebe aus 60% Acryl

und 40% Baumwolle. Der Bezugstoff hat ein Flächengewicht von 610 g/m2, eine hohe

Scheuerbeständigkeit von > 20.000 Touren sowie eine Lichtbeständigkeit der Note 5 (1

schlecht, 8 sehr gut) und ist für die intensive Nutzung im Wohnbereich vorgesehen. Das

Gestell ist aus massiver Buche und 18 mm Multiplex Furnier Sperrholzplatten gefertigt.

Die Sitzkissen bestehen aus hochwertigem Kaltschaum mit einem Raumgewicht von RG

35 - Raumgewicht 35 kgm3 . Zum Schutz des Polsterbezuges vor Scheuerbeanspruchung

befindet sich über dem Schaumstoffpolster eine Auflage aus 60% Gänsefedern und

40% Faserbällchen. Auch die Rückenkissen sind laut Hersteller mit dieser Materialkom-

bination gefüllt.

Das Sofa ist Basis für die Integration der Sensorkissenbezüge. Sie werden als ab-

nehmbare Unterpolsterbezüge zwischen das vorhandene Polster und den Polsterbezug

eingefügt. So halten Smart Textiles Einzug in den Living Place.

3 STATUS QUO DER TEXTILEN SENSORTECHNOLOGIE 7

3 Status Quo der textilen Sensortechnologie

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit der Bedeutung textiler Sensoren und deren

Anwendungsmöglichkeiten. Dabei wird Eingangs in Abschnitt 3.1 der Begriff textiler

Sensor definiert und im folgenden Abschnitt 3.2 der aktuelle Entwicklungsstand von

textilen Sensoren anhand ausgewählter Forschungsprojekten dargestellt.

3.1 Textile Sensoren

Als textile Sensoren (Sensor: lat. = sensire, dt. = „fühlen“ oder „empfinden“) bezeichnet

man textile Elemente, welche physikalische, chemische oder stoffliche Eigenschaften

qualitativ oder quantitativ erfassen können. Die DIN 1319-1:1995-01 definiert Senso-

ren als (Meßgrößen-)Aufnehmer, die als erstes Element einer Messkette und Teil eines

Messgerätes oder einer Messeinrichtung auf eine Messgröße unmittelbar anspricht2.

Messgrößen können hierbei sein: Kraft, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Be-

schleunigung, Bewegung, Flüssigkeit usw., diese werden qualitativ oder quantitativ er-

fasst und in weiterverarbeitbare Größen, z.B. elektrische Signale wie elektrische Span-

nung umgewandelt und zu der Eingangsgröße in eine festgelegtes Verhältnis gesetzt.

Um Messgrößenaufnehmer zu erzeugen, werden textile Elemente durch konstruktionel-

le, fertigungstechnische oder ausrüstungsbedingte Schritte zu textilen Sensoren ausge-

rüstet. Im Folgenden wird der Begriff „Sensor“ analog für das messgrößenempfindliche

Element des Aufnehmers eingesetzt.

Textile Sensoren befinden sich ca. seit dem Jahr 2000 auf dem Markt und wurden

schwerpunktmäßig in den Bereichen „Wellness Health and Care“, „Protection and Se-

curity“, „Information and Communication“, „Fashion, Sports and Fun“ und „Automotive“

eingesetzt. Vor allem die Bekleidung als steter und enger Begleiter bietet sich für die

Anwendung textiler Sensoren an. Sie erweitern das Bekleidungssystem zu Smart Clo-

thes (Vargas, 2009, S. 21). Für den Arbeitsschutz können an entsprechenden Stellen

integrierte Bewegungs- oder Drucksensoren zur freihändigen Bedienung verschiedener

Systemelemente verwendet werden oder statt externer Tastaturen lassen sich textilba-

sierte Tastaturen in Kleidung integrieren. Sensoren zur Überwachung von Vitalparame-

tern wie Puls, Herzfrequenz oder Atmung können die körperliche Konstitution des Trä-

gers detektieren (Kirchdörfer u. a., 2003). Sie lassen sich jedoch (noch) nicht für alle

Zwecke einsetzen, sodass in diesen Fällen herkömmlich elektronische „hard sensors“

zum Einsatz kommen.2DIN 1319-1:1995-01, S 19


3.2 Vergleichbare Projekte mit Sensortechnologie

Die in diesem Kapitel beschriebenen Projekte beschäftigen sich mit Smart Textiles und

basieren wie die vorliegende Forschungsarbeit auf resistiver und kapazitiver Sensor-

technologie. Sie wurden aufgrund ihrer Parallelen zu der vorliegenden Arbeit aus meh-

reren Forschungsarbeiten ausgewählt und sollen nachfolgend näher erläutert werden.

Die Projekte verdeutlichen, dass bereits verschiedene namhafte Unternehmen und For-

schungsinstitute intensive Entwicklungsarbeit mit großer finanzieller Unterstützung über

mehrere Jahre im Smart Textiles Bereich geleistet haben. Es seinen auch die Projekte

SensFloor R©3 sowie das Projekt des „Textilen Sensors zur Messung der Druckverteilung

auf unebenen Flächen“4 erwähnt. Beide Projekte stellen abgeschlossenen Entwicklun-

gen dar und basieren auf kapazitiver Sensortechnologie, sollen jedoch aus Gründen des

Umfangs nicht näher erläutert werden. Von den nachfolgenden fünf Projekten arbeiten

vier mit resistiven textilen Sensoren und eines mit kapazitiven textilen Sensoren:

1. Wealthy - resistiv

2. Textile Tastatur - resistiv

3. SeatSen - resistiv

4. Insitex - kapazitiv

5. Textiler Sensoranzug - resistiv

Diese beispielhafte Aufteilung zeigt, dass in der Vergangenheit schwerpunktmäßig im

Bereich der resistiven Sensoren geforscht wurde.

3.2.1 Wealthy

Im Medizinischen- sowie im Sportbereich können textile Sensoren zur Erfassung von

Vitalparametern wie Puls, EKG und Temperatur genutzt werden. Als Beispiel ist das

2002 gestartete Wealthy Projekt zu nennen, welches im Rahmen eines EU-Projektes

für zweieinhalb Jahre ins Leben gerufen wurde und mit 3.8 Mio. e dotiert war (o. Hrsg.,

2005b). Unter anderem am Projekt beteiligt ist die Firma Smartex 5. „Ziel des Projektes

war es, ein komfortables Gesundheitsüberwachungssystem durch die Implementierung

von Computertechniken, smarten Sensoren, tragbaren Geräten, sowie Telekommunika-

tionsfunktionen auf einer textilen Plattform zu erschaffen.“ (Vargas, 2009, S. 61)

3http://www.sensfloor.de/Partner.html, 5.3.20114http://www.liko-online.de/expos/ELA23.pdf, 5.3.20115Smart Tex: Initiator und Spezialist im Bereich der Entwicklung von Innovationen im Textilsektor. Durch-

führung von Forschungsprojekte mit Unterstützung u.a. von Unternehmen wie Milior SpA.


Wealthy arbeitet mit textilen „soft sensors“ (piezoresistive Dehnungssensoren, textile

Elektroden) und nichttextilen „hard sensors“ (Sensoren für Haut- und Kerntemperatur,

Beschleunigungssensoren zur Bewegungserfassung, Sensoren für die Erfassung der

Sauerstoffsättigung). Der piezoresistive Effekt des „soft sensors“ beruht auf der Wider-

standsänderung eines Leiters durch äußere mechanische Krafteinwirkung. Die Platzie-

rung der piezoresistiven Widerstandssensoren zeigt Abbildung 4.

Abbildung 4: Konstruktion des Wealthy-Prototypen (o. Hrsg., 2005a)

Durch die partielle Verarbeitung elektrisch leitfähiger Garne auf der Innenseite eines In-

tarsien Double-face Gestricks entstand die textile Elektrode zur kardialen Überwachung.

Die nicht leitfähige Außenseite dient der Isolation, zur verbesserten Leitfähigkeit und

zum Schutz wurde eine Hydro-Gel-Membran der Firma ST&D Ltd (Belfast-UK) zwischen

Haut und Elektrode verarbeitet.

Der Aufbau der leitenden Verbindungen ist ähnlich dem der textilen Elektrode, zu-

sätzlich wurde jedoch eine dritte Lage mit Hilfe der Vanisé-Technik hinzugefügt, sie

besitzt eine isolierende Wirkung, sodass ein „Sandwich“ aus einem nicht leitfähigem,

einem leitfähigem und wieder einem nicht leitfähigem Gestrick entsteht.


3.2.2 Textile Tastatur

Auch die Firma Elektex beschäftigt sich mit textilen Sensoren in Form von textilen Tasta-

turen. Sie basieren auf einem 3-Schicht-Aufbau, wobei sich zwischen Leiter (elektrisch

leitfähige Fasern) und Isolator (leitfähige Fasern, die sich nur unter Druckeinwirkung be-

rühren) je eine Mesh-Lage befindet, um ungewollte Kontaktierung zu vermeiden. Je mehr

Druck einwirkt, desto mehr „Brücken“ werden zwischen den leitenden Fasern der mittle-

ren und äußeren Schichten gebildet. Über eine Stromdurchgangsmessung lassen sich

Berührungen auf den drei Ebenen X, Y und Z bestimmen und Aussagen über die Druck-

position und Druckintensität treffen.

Abbildung 5: Elektex Funktionsprinzip (eric at talk2myshirt, 2006)

Die Elektex Technologie wurde bereits erfolgreich in der Innovative Sport Heating Jacket,

der Infineon Rosner mp3blue-Jacke sowie der Spyders iPod-Jacke eingesetzt (eric at

talk2myshirt, 2006).

3.2.3 SeatSen

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit ca. 2,4 Mio e ge-

förderte Forschungsvorhaben SeatSen umfasst die Entwicklung eines textil integrierten

MST-Sensor-Systems zur Erkennung von Sitzbelegung und Sitzposition in Kraftfahrzeu-

gen. Das Erreichen der Machbarkeit und die anschließende Technologieentwicklung zur

Fertigung von neuen Webtechniken, der Mikroverbindungstechnik sowie die Integration

der neuen Technologien in den Baugruppenaufbau stehen dabei im Vordergrund. Ziel

des Projektes ist die Ermittlung verschiedener Insassenklassen und damit Ausgabe

einer Kenngröße der Last auf dem Sitz, sodass zwischen einem leeren Sitz, einem

Kindersitz oder einer Person unterschieden werden kann. Gekoppelt an diese Informa-

tionen lässt sich u.a. die Steuerung von Airbag- und Gurtwarnfunktionen regulieren.


SeatSen mit der Projektlaufzeit vom 01.10.2007 bis 31.12.2010 entstand im Rah-

menprogramm Mikrosysteme (2004-2009) unter der Projektbetreuung der VDI/VDE

Innovation und Technik GmbH. In Zusammenarbeit mit fünf Unternehmen aus den

Bereichen Automobil-Herstellung und Zulieferung, Elektronik und Zertifizierung6 zeigte

sich das Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V. (TITV Greiz) für die Projekt-

koordination sowie die Entwicklung textiler Schaltungsträger und Verbindungstechniken

zuständig (VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, 2009a).

SeatSen arbeitet mit drei verschiedenen Sensorkonzepten:

• Mikromechanischen Kraftsensoren mit direkter Krafteinwirkung

• Resistive Sensorschicht auf semiflexiblem Substart (Biegebalken) - FLATcomp

• Netzwerk aus textilintegrierten Sensorfäden

Im Folgenden wird das Konzept der Sensorfäden eingehender erläutert, da es als aus-

schließlich textile Technologie die vorliegende Arbeit in seiner Entwicklungsphase Rich-

tungweisend beeinflusst hat.

Die Sensorfäden arbeiten als resistive Kraftsensoren mit einer messbaren Widerstands-

änderung bei äußerer Krafteinwirkung. Durch die Belastung durch eine Kraft F verändert

sich die Ausgangslänge des Sensorfadens L um ∆L.

Abbildung 6: Wirkungsweise der Sensorfäden (VDI/VDE Innovation + Technik GmbH,2009b)

Der im Kern leitfähige Sensorfaden wird in einer meanderförmigen Figur aufgesteppt,

sodass auf kleiner Fläche großmöglichste Fadenmenge appliziert werden kann und eine

erfassbare Widerstandsänderung messbar wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine optimale

Wasserdampfdurchlässigkeit, bei der auch im Falle eines Belüftungssystems (Sitzhei-

zung) keine Einschränkung der Luftzirkulation eintritt.

6Mitwirkende Unternehmen: Audi AG, Car Trim GmbH, GEMAC mbH, Würth Elektronik GmbH & Co.KG, CE-SYS GmbH Illmenau und TITV Greiz


3.2.4 Insitex

Das Verbundforschungsprojekt7 Insitex (Aktive Insassen-Sicherheit durch Intelligente

Technische Textilien) läuft unter dem Förderkennzeichen 16SV3463 und wurde in der

Zeit vom 01.03.2007 bis 31.08.2010 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF) mit einem Gesamtvolumen von ca 3,9 Mioe gefördert. Dabei soll unter Nutzung

von intelligenten technischen Textilien in Form von Sensorelementen Anwendungen zur

Erkennung des Fahrerzustands, Vigilanzmessung und Sitzbelegungserkennung reali-

siert werden. Die Sensorelemente erfassen physiologische Parameter wie EKG, Kopf-

position, Atmung, Hauttemperatur etc. und lassen sich durch Integration in Fahrzeug-

komponenten wie Sitz, Lenkrad, Himmel oder Gurt zur Unfallprävention verwenden. Die

erfassten Signale können dazu dienen, Schläfrigkeit oder Stresssituationen zu erkennen

und präventive bzw. assistierende Maßnahmen zu ergreifen. Zudem ist über die Bestim-

mung verschiedener Gewichtsklassen sowie Überwachung von Sitzbelegung, -position

und Gurteinstellung eine selektive Airbagauslösung zur Verbesserung der Sicherheit von

Fahrzeuginsassen realisierbar.

INSITEX beschäftigt sich mit den folgenden Bereichen:

Abbildung 7: Sensorverteilung bei Insitex

(Quelle: http://www.insitex.de)

Textile Sensorik:

Entwicklung innovativer Garne mit spe-

ziellen sensorischen Eigenschaften

sowie anwendungsspezifische textilen

Flächenstrukturen als Sensorelemen-

te. Erforschung einer lötfreien Kontak-

tierungsverbindung textil-integrierter

isolierter Leiterstrukturen mit Elektro-

nikmodulen sowie deren Qualifizierung

nach den in der Automobilindustrie ge-

forderten Normen.

Kapazitive EKG-Messung:

Entwicklung berührungslos wirkender

kapazitiver Elektroden zur Erfassung eines EKG-Signals auch durch Kleidung hindurch.

Ersatz der bisherigen Klebeelektroden und Sicherstellung eines optimalen Sitzkomforts.

Entwicklung eines anfänglich eingesetzten Labordemonstrators mit einer nicht-textilen

7Konsortium: DaimlerChrysler AG, FZI, Fraunhofer IZM, W.Zimmermann GmbH, Fritz Moll Textil KG,I.G. Bauerhin GmbH und rent a scientist


Elektrode und anschließender Ersatz durch textile Strukturen. Für die großflächige Inte-

gration in die Rückenlehne eines E-Klasse Sitzes geeignet.

Vitalsensorik am Lenkrad:

Integration medizinischer Sensorelektronik zur Erfassung von Puls, Blutsauerstoff und

Hautwiderstand. Untersuchung und Evaluation der Parameter mit der höchsten Aussa-

gekraft bestimmter Fahrerzustände durch einen Demonstrator. Damit Ergänzung her-

kömmlicher fahrdynamischer Parameter und Erhöhung der Aussagekraft sowie Schaf-

fung neuer Anwendungsmöglichkeiten (FZI, Forschungszentrum Informatik, 2009).

3.2.5 Textiler Sensoranzug

In (Pan u. a., 2003) ist die Entwicklung eines textilen Sensors als Ganzkörperanzug

zur Steuerung von Robotern beschrieben. Er ermöglicht über eine fünf Lagenstruktur

aus leitfähigem und nicht leitfähigem Textil die Bestimmung des Kontaktpunktes sowie

die auf diesen Punkt einwirkende Kraft. Hierüber lassen sich Kontaktinformationen des

Roboters ähnlich wie über die menschliche Haut sammeln.

Der Sensor besteht aus zwei Außenschichten aus ESD Material - electro-

static discharge/ elektrostatische Entladung mit parallel verlaufenden leitfähi-

gen Kettfäden für eine partielle Leitfähigkeit. Wie in Abbildung 8 dargestellt

detektiert eine Seite die X-Richtung, die andere, um 90 gedrehte Schicht,

die Y-Richtung. Pro Schicht verbinden zwei leitfähige Terminals (T1,T3 und

T2,T4) zwei Gruppen der parallel verlaufenden Fäden mit dem Messkreislauf.

Abbildung 8: Aufbau des Sensors (Pan

u. a., 2003)

Die mittlere Lage hat durch das Gestrick

aus leitfähigem Faden mit Schlingen eine

komprimierbare Struktur, die bei zunehmen-

der Krafteinwirkung stärkeren Kontakt un-

tereinander bekommen, sodass der elektri-

sche Widerstand sinkt. Wird kein Druck aus-

geübt, trennen zwei elektrisch isolierende

Lagen die gestrickte mittlere Lage von den

äußeren Lagen. Mit diesem Aufbau lassen

sich mit vier Anschlüssen und fünf Messpunkten viele Sensorpunkte realisieren. Ein-

schränkend ist die Tatsache, dass ein akkurates Ergebnis nur bei einer Flächenbeset-

zung von weniger als 30% sowie nicht an den Ecken des Sensors erreicht werden kann.

4 TECHNOLOGIEN UND KOMPONENTEN DER SENSORKISSENBEZÜGE 14

4 Technologien und Komponenten der Sensorkissen-

bezüge

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit der verwendeten Sensortechnologie und deren

textilen und elektronischen Komponenten. Dafür wird eingangs in Unterpunkt 4.1 die

ausgewählte Technologie vorgestellt. Sie besteht aus zwei Sensortypen. Anschließend

folgt in Unterpunkt 4.2 eine Auflistung und Erläuterung der verwendeten textilen Kom-

ponenten. Kapitel 4 endet mit der Vorstellung der angewandten Elektronik und Software

in Unterpunkt 4.3.

4.1 Technologien

Für die Sensortechnologie im Sofa wurden in Zusammenarbeit mit Oliver Dreschke zwei

Funktionstypen aus einer Vielzahl gängiger Kraft- und Drucksensoren ausgewählt. Aus-

wahlkriterien waren dabei: Detektierbarkeit von Sitzposition und -gewicht sowie Annähe-

rung, weitestgehend textiler Aufbau, textile Fertigungsmöglichkeit und geringe Kosten.

Diese Kriterien ließen sich mit kapazitiven und resistiven Sensoren umsetzen. Da die

Sensorkissenbezüge unter Berücksichtigung der Kissenmaße bei allen Sofas mit ab-

nehmbaren Bezügen einsetzbar sein sollen, muss die Technologie flexibel konzipiert

sein.

4.1.1 Kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren verfügen über die Eigenschaft, die Annäherung eines Massekör-

pers zu detektieren. Hinzu kommt ein konstruktiv einfacher Aufbau, der die Umsetzung

als textiler Sensor ermöglicht. Das Grundprinzip basiert auf zwei Elektroden, die jeweils

eine spezifische elektrische Kapazität aufbauen. Sie entsteht durch die Speicherung der

Ladungen + Q und - Q, die durch die externe Spannungsquelle mit der Spannung U

auf die Elektroden transportiert wird. Die Elektroden lassen sich mit leitfähigen textilen

Flächengebilden umsetzen.

4.1.2 Schirmung

Kapazitive Sensoren erzeugen elektrische Wechselfelder im Niederfrequenz - NF Be-

reich. Diese sind im Gegensatz zu z.B. einer Mobilfunkstrahlung von sehr geringer

Relevanz für die menschliche Gesundheit, sollen aber bei der vorliegenden Forschung

berücksichtigt werden. Ziel ist es, eine zusätzliche Belastung des Menschen durch

Elektrosmog zu vermeiden, sodass die im Sofa integrierte Technik bei direktem Kontakt


keinen negativen Einfluss auf den Menschen hat. Aus diesem Grund wurde der gesamte

Kissenbezug aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt, welches, auf Masse geschal-

tet, das kapazitive Feld begrenzt (Vgl. Masterarbeit von Oliver Dreschke (2011)).

Durch die Zunahme von elektronischen Bauteilen wie Lampen, Leitungen und Netz-

anschlüsse in häuslichen Umgebungen sowie Sendeanlagen wie Radio, Fernsehen,

Mobilfunk, Radar, Richtfunk, Babyphone, schnurlose Telefone oder drahtlose Funknetz-

werke (W-LAN) ist die Belastung durch Elektrosmog in den letzten Jahrzehnten rasant

gestiegen. Sie steht unter dem Verdacht, genetische Veränderungen und Tumore zu

erzeugen, wobei keine wissenschaftlichen Belege existieren. Bei zunehmendem Einsatz

von Funktechnologie und bei kontinuierlicher intensiver Bestrahlung schließen Wissen-

schaftler langfristig gesundheitliche Schäden jedoch nicht aus (Vargas, 2009). Kritiker

bemängeln unzureichende Grenzwerte von bereits international vorhandener Normen

zum Schutz vor Elektrosmog.

Reagierend auf das wachsende Verbraucherbewusstsein entwickelten bereits ver-

schiedene Textilhersteller textile Flächengebilde, die zur Schirmung von Elektrosmog

als Bekleidung oder Baldachine, auf Wänden oder als Handytaschen etc. eingesetzt

werden können. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn keine schaltungs- oder installati-

onstechnischen Maßnahmen z.B. durch Feldfreischalter durchgeführt werden können.

4.1.3 Resistive Sensoren

Zur Detektierung verschiedener Massegewichte eignen sich resistive Sensoren. Diese

ermöglichen durch eine elektrische Widerstandsänderung die Ermittlung der Kraftein-

wirkung einer bestimmten Masse. Nach dem Ohm´schen Gesetz wird der elektrische

Widerstand über die Spannung im Output gemessen und von der Software verarbeitet.

Resistive Sensoren können aus textilen Fäden oder Flächen hergestellt werden.

4.2 Textile Komponenten

In diesem Kapitel werden die technischen Daten der textilen Komponenten, die für die

Umsetzung der resistiven und kapazitiven Sensoren zum Einsatz kamen, erläutert. Hier-

zu zählen die Materialien für Sensor, Schirmung und Leiterbahn sowie benötigte Hilfs-

materialien. Sie bilden z.T. die Ausgangslage der Entwicklung oder kamen ergänzend

im weiteren Verlauf hinzu. Die Auswahl erfolgte anhand der gestellten Anforderungen.

Diese sind bezüglich der in Tabelle 1 gelisteten oberflächenleitfähigen textilen Flächen

(Sensor/Schirmung) und Fäden (Sensor) folgende:


1. Gute elektrische Leitfähigkeit/Kapazität

2. Textile Eigenschaften entsprechend den Anforderungen an Polsterbezüge (z.B.

zug- und scheuerbeständig, waschbar, dimensionsstabil)

3. Verarbeitungsmöglichkeit mit herkömmlichen Verfahren bei Zuschnitt und Füge-

technik (z.B. schneidbar, vernähbar, Möglichkeit der konstruktiven Flächenfor-

mung/Bügeln)

Die als „Halbleiter“ in Tabelle 1 gekennzeichneten Materialien sollen über einen sehr

großen Oberflächenwiderstand im hochohmigen Bereich verfügen. An das Isolationsge-

webe (Dobby) ist die Anforderung gestellt, zwei elektrisch leitfähige Flächen oder Fäden

durch eine dicht gestellte Gewebekonstruktion zu trennen und als Stickereibasis eine ho-

he Dimensionsstabilität aufzuweisen. Die Trägermaterialien Loden und Ripstopgewebe

sind Hilfsmittel für die Aufbringung der Sensorelemente. Da das Ripstopgewebe (Hilfs-

mittel) an den Sensorpunkten (resistiver Sensor 1) offenkantig verarbeitet werden soll,

verfügt es über eine laminierte Polyester-Membran. Sie Verhindert das Herauslösen von

Schuss- und Kettfäden. Eine zusätzliche Festigkeit wird durch die stärkeren, gitterförmig

eingewobenen Garne erzielt. Das Fügematerial Visofix erzeugt durch seine Klebestruk-

tur eine dauerhaft haltbare Verbindung zweier textiler Flächen und wird beim kapazitiven

Sensor eingesetzt. Wie auch der Reißverschluss ist der oberflächenleitfähige Klettver-

schluss für eine sichere und strapazierfähige Verbindung vorgesehen, darüber hinaus

muss mit diesem auch ein sehr guter elektrischer Kontakt erzeugt werden.

Da es sich überwiegend um Materialien handelt, die sehr speziellen Anforderungen

gerecht werden müssen, war oft nicht in herkömmlichen Stationärgeschäften, sondern

im Repertoire spezialisierter Online-Anbieter das passende Material zu finden. Dieser

Effekt wird auch dadurch verstärkt, dass Materialien mit elektrischer Oberflächenleitfä-

higkeit in der klassischen Textilindustrie noch kaum Verwendung finden und sich der

Materialbedarf auf Spezialbereiche beschränkt. Diese sind u.a. Funktionstextilien für

Arbeit und Freizeit, technische Textilien und Haus- und Heimtextilie

Beispielhaft für die Materialherkunft sollen im Folgenden zwei Firmen angeführt werden.

Ein Internethändler ist die biologa R©Elektrotechnik GmbH & Co. KG8, sie bietet u.a.

textile Flächengebilde zum Schutz vor Elektrosmog an. Das Abschirmgewebe Picasso

sowie Abschirmgewirk Dali stammen, ebenso wie die elektrisch leitfähige Farbe NSF34

und der Vlies Rubens Light, aus deren Sortiment. Das novonic R©CFW-Gewebe konnte

über den Internetshop der Firma W. Zimmermann GmbH & Co. KG9 bezogen werden.

8http://www.biologa.net9http://www.zimsi.com


Tabelle 1: Materialübersicht

Für die oberflächenleitfähigen Fäden sowie den Klettverschluss erwiesen sich ebenfalls

Internetshops als geeignete Bezugsquelle.


4.3 Elektronische Komponenten und Software

In diesem Kapitel erfolgt die Darstellung von Soft- und Hardwarekomponenten der Sen-

sortechnologie. Dafür werden anfangs die elektronischen Komponenten des kapazitiven

Sensors und anschließend die des resistiven Sensors näher erklärt.

4.3.1 Kapazitiver Sensor

Für die Aufnahme der Sensormesswerte sind sowohl Hardware- als auch Software-

komponenten notwendig. Das CapSense-Toolkit10, siehe Abbildung 9, ist ein Schwing-

kreiserzeuger und verfügt über acht kapazitive Sensoren. Die Elektronik ist für ca. 200

e erhältlich und, ebenso wie das Kommunikationsprotokoll und die Firmware, quel-

loffen. Diese Technik ist preiswert, erfordert jedoch pro Elektrode die Unterbringung

eines Sensors sowie vier Leiterbahnen (Plus-/Minuspol, Datenzu-/ Datenabführung).

Des Weiteren scheint die Schirmung der USB-Anschlüsse nicht korrekt durchgeführt

worden zu sein, da selbst bei geschirmten Kabeln eine Beeinflussung der Messwerte

bei Annäherung an das Kabel zu beobachten war.

Abbildung 9: CapSense Toolkit

(Quelle: www.capsense.org)

Das CapSense-Toolkit findet seine Anwendung bei

den inneren Elektroden (Vgl. Kap. 6.1.2) der Kissen-

bezüge des kapazitiven Sensors. Für eine hohe Güte

der Messwerte müssen die Sensoren dicht an der tex-

tilen Elektrode platziert sein.

Die Datenaufnahme der vorderen Elektrode erfolgt

durch einen Schwingkreiserzeuger aus der Sicher-

heitstechnik. Er erzeugt zuverlässige Messwerte, ar-

beitet mit nur zwei Leiterbahnen (Plus- und Minuspol)

und wird über geschirmte Koaxial-Kabel angeschlos-

sen. Nachteilig hierbei sind die vergleichsweise ho-

hen Anschaffungskosten von ca 300 e pro Schwingkreiserzeuger sowie die Beschrän-

kung auf den Anschluss einer Elektrode. Die erfassten Messwerte werden bei beiden

Schwingkreiserzeugern auf einem MacMini mit einer dafür entwickelten Anwendung wei-

terverarbeitet (Vgl. Masterarbeit von Oliver Dreschke (2011)).

10http://www.capsense.org


4.3.2 Resistiver Sensor 1 und 2

Die resistiven Sensoren (Vgl. Kap. 6.2 und 6.3) werden über einen Arduino11 Mi-

krocontroller (Abbildung 10) ausgelesen. Es handelt sich dabei um eine quelloffene

Steuerungsplattform mit einfach aufgebauter Hard- und Software. Sie ermöglicht die

Verwendung einer Vielzahl verschiedener Sensoren. Der im vorliegenden Fall eingesetz-

te Arduino Duemilanove (resistiver Sensor 1) erlaubt den gleichzeitigen Anschluss von

sechs Sensoren (6 analoge Eingänge), der Arduino Mega (resisitver Sensor 2) verfügt

über 16 analoge Eingänge. Beide Microcontroller arbeiten mit 5 V Betriebsspannung

und decken einen Spannungsinput-Bereich von 7-20 V ab.

10.1: Duemilanove 10.2: Mega

Abbildung 10: Arduino Microcontroller (Quelle: http://www.arduino.cc)

Das Wirkungsprinzip des resistiven Sensors 2 (Vgl. Kap. 6.3) basiert auf einer Wheat-

stoneschen Messbrücke. Es handelt sich dabei um eine Messeinrichtung, mit welcher

ohmsche Widerstände ermittelt werden können. Sie besteht aus vier Widerständen, so-

wie einer Spannungsquelle und einem Spannungsmessgerät. Die Widerstände sind par-

allel angeordnet und bilden paarweise einen Spannungsteiler. Ist das Widerstandsver-

hältnis in beiden Spannungsteilern gleich groß, so ist die Brückenschaltung ausgegli-

chen und über einen Spannungsabfall am Brückenzweig ist ein bislang unbekannter Wi-

derstand messbar. Für die eingesetzte Wheatstonesche Brücke wurden vier 100 Ω Wi-

derstände verwendet. Dementsprechend musste der applizierte Sensorfaden pro Sen-

sorpunkt einen exakten Widerstand von 100 Ω aufweisen. Die Wheatstonesche Brücke

wird zwischen den Mikrocontroller und die Sensorfaden geschaltet. Zur Auswertung der

erfassten Messwerte erfolgt die Weiterleitung selbiger an den Mac Mini. Beim resistiven

Sensor 1 erfolgt die Bestimmung der Widerstandsänderung ohne die Zwischenschaltung

weiterer elektronischer Bauteile (Vgl. Kap. 6.2).

11http://www.arduino.cc/


4.3.3 Software

Die Daten (Messwerte/Zahlen) des Mikrocontrollers, des CapSense sowie des Sensors

aus der Sicherheitstechnik werden durch die auf dem Mac Mini installierte Software ver-

arbeitet. Dabei erfolgt eine Vorverarbeitung (filtern etc.), die Aufbereitung sowie die Vi-

sualisierung der Daten. Diese kann auf zweierlei Art geschehen: Über eine direkte gra-

phische Darstellung in Form einer Messkurve oder durch ein dreidimensionales Model

des Sofas.

11.1: 3D-Modell des Sofas 11.2: Messkurve

Abbildung 11: Bilder der Software

Die Messkurve arbeitet mit einer logarithmischen Skala, hiermit lassen sich auch kleine

Messwertveränderungen darstellen.

Weiterführende Informationen zu Software und Elektronik sind der Masterarbeit von Oli-

ver Dreschke (2011) zu entnehmen.

5 PHYSIKALISCHE PRÜFUNGEN OBERFLÄCHENLEITFÄHIGER TEXTILER

FLÄCHENGEBILDE UND FÄDEN21

5 Physikalische Prüfungen oberflächenleitfähiger texti-

ler Flächengebilde und Fäden

n diesem Abschnitt werden Prüfverfahren beschrieben, die zur Beurteilung der textilen

und elektrischen Eigenschaften der vier oberflächenleitfähigen textilen Flächengebilde

sowie fünf weiterer oberflächenleitfähiger Materialien dienen. Dazu werden Testkriteri-

en definiert. Die Durchführung erfolgte zeitlich versetzt begleitend zu der in Kapitel 6

beschriebenen iterativen Musterentwicklung. Sie sind in diesem Kapitel zusammenge-

fasst worden. Die Prüfungen erfolgen, wenn vorhanden, nach deutscher, europäischer

oder internationaler Norm. Des Weiteren werden in Kapitel 5.5 Prüfungen erläutert,

die an zwei Flächengebilden durchgeführt werden mussten, da Schwierigkeiten bei der

Verarbeitung auftraten. Nach Durchführung der Prüfungen soll bestimmbar sein, welche

textile Fläche den Anforderungen der Sensortypen gerecht wird, sowie welcher Faden

als resistive Sensorstickerei und Leiterbahn geeignet ist.

Testkriterien

Die kapazitive Sensortechnologie wird für die Anwendung in einem Sofa entwickelt. Die

Testkriterien entsprechen demnach den Anforderungen an Polsterbezüge wie sie in der

DIN EN 14465:2003 + A1:2006 definiert werden. Die deutsche Fassung EN 14465:2003

+ A1:2006 beschreibt Spezifikationen und Prüfverfahren für Möbelstoffe und nimmt

eine Kategorisierung (A-D) vor. Die Prüfungen Scheuerbeständigkeit und Zugfestigkeit

wurden gemäß der Norm durchgeführt. Die weiteren Prüfungen (elektrischer Oberflä-

chenwiderstand, Kapazität und Fixiertest) erfolgten nach selbst definierten Maßstäben

und statistischen Regeln. Diese Prüfungen wurden ausgewählt, da sie wesentlich zur

Beurteilung der hier verwendeten textilen Flächen als Einsatz für einen Sensor sind.

Tabelle 2 gibt einen Überblick zu den Prüfungen.

Wie Tabelle 3 zeigt, sind die Prüfungen an ausgewählten Materialien durchgeführt wor-

den. Diese Auswahl erfolgte anhand des späteren Einsatzzwecks. Im Zusammenhang

mit der elektrischen Oberflächenwiderstandsprüfung wurde auch das Bügelverhalten

getestet. Es zeigte sich, dass das Ripstopgewebe (Picasso) bei Dampfeinwirkung

einen nicht reversiblen Farbumschlag aufweist. Dieser Effekt beruht auf einem Oxi-

dationsvorgang des Silbers. Des Weiteren konnte selbiger in geringerem Ausmaß als

Alterungsprozess im Verlauf der Entwicklungsphase bei Ripstop (Picasso) und Char-

meuse (Dali) sowie den Fäden ausgemacht werden. Der Farbton änderte sich von silbrig

glänzend zu gräulich stumpf. Der Köper (offen) zeigte wenig Resonanz beim Bügeln.

Dies ist auf Verbiegungen der Metallfäden zurückzuführen, die durch den dicken Titer



Tabelle 2: Übersicht der durchgeführten physikalischen Prüfungen

der Einzelfilamente thermisch kaum zu glätten sind. Das Material weist dementspre-

chend beständig eine wellige Oberfläche auf.

Tabelle 3: Zuordnung der Prüfungen zu den Materialien

Neben dem Bügelverhalten erfolgte auch die Prüfung der Vernähbarkeit mit Doppel-

steppstich und 4 Stichen pro Zentimeter. Hierbei zeigte der Köper (offen) beim Prüfen

der Nahtschiebefestigkeit Defizite. Dass Charmeuse (Dali) besitzt eine sehr geringe Di-

mensionsstabilität, was zum Nahtbruch bei Zugausübung sowie ausgeprägten Flächen-

verformungen führte. Auf Grund der genannten Verarbeitungsschwierigkeiten erfolgten

Fixiertests mit Einlagen und Aufbügelbändern.



5.1 Scheuerbeständigkeit

In diesem Anschnitt wird ein Prüfverfahren nach DIN EN ISO 12947-2: 1998 +AC:2006

(D) und Anhang 1 (normativ) der Norm EN 144465:2003 beschrieben, das zur Bestim-

mung des Verhaltens textiler Oberflächen gegenüber reibender Beanspruchung dient.

Der normative Anhang legt die Veränderungen gegenüber EN ISO 12947-2 fest, die

für die Beurteilung von Möbelstoffen erforderlich sind. Die Scheuerbeanspruchung zählt

zu den wichtigsten Eigenschaften zur Beurteilung des Gebrauchsverhaltens, da der

Verschleiß von Möbelbezugsstoffe im hohen Maße auf Scheuerbeanspruchung im Ge-

brauch zurückzuführen ist.

„Scheuerbeständigkeit ist die Widerstandsfähigkeit des Textils gegen eine Scheuerbe-

anspruchung unter bestimmten Bedingungen, die nach der Veränderung des Warenbil-

des oder signifikanter Eigenschaften des Textils beurteilt wird.“ (Reumann, 2000, S. 498)

Merkmale von Scheuerverschleiß sind Oberflächenveränderungen wie: Aufrauhung, Pill-

bildung, Farbtonänderung, Glanzstellenbildung, oder „Zieher“-bildung bei Maschenwa-

re, Gewichtsverlust oder Lochbildung. Bei der Martindale Prüfung wird mit einer defi-

nierten Scheuerbewegung, der sog. Lissajour-Figur, geprüft. Im vorliegenden Fall dient

die Martindale-Scheuerprüfung zur Bestimmung des Zeitpunktes der Messprobenzerstö-

rung durch Lochbildung (Endpunkt der Prüfung) und ermöglicht damit eine Aussage über

eine voraussichtliche „Lebensdauer“ bzw. Widerstandsfähigkeit des Materials. Die Zer-

störung der Messprobe ist erreicht, wenn bei Flachgeweben 3 Fäden vollständig zerstört

sind oder in einem Maschenstoff ein Loch wegen eines vollständig zerstörten Fadens

entsteht.

Die Norm EN 14465:2003 + A1:2006 kategorisiert die Scheuerbeständigkeit nach der

Note A, B und C. Die erforderlichen Scheuertouren für Flachgewebe und Maschenware

zur Erfüllung dieser Anforderung zeigt Tabelle 4.

Tabelle 4: Kategorien zur Bewertung der Scheuerbeständigkeit von Flachgeweben undMaschenware, Quelle: Norm EN 14465:2003 + A1:2006, Anhang B (informativ), Tabel-lenausschnitt

Geprüft wurde mit einem nach DIN EN ISO 12947-1 standardisierten Martindale-

Scheuerprüfgerät.



12.1: Martindale-Gerät 12.2: Flusenablagerung bei der Scheuerprüfung

Abbildung 12: Martindale-Versuch

Vorbereitung

Für die Scheuerprüfung werden 4 Laboratoriumsproben über die gesamte Breite und

mit einem Mindestabstand von 150 mm von der Kante der zu prüfenden textilen Fläche

entnommen. Die Proben der Wirkware sowie der Gewebe haben einen Durchmesser

von (38,0 + 0,5 - 0) mm und werden so ausgestanzt, dass sie jeweils unterschiedliche

Maschenreihen und Maschenstäbchen (Kett- und Schussfäden) enthalten. Die entspre-

chende Messprobenunterlage aus Schaumstoff besitzt die gleichen Maße. Das Scheu-

ermittel, mit einem Durchmesser von 140 mm, sowie die zugehörige Scheuermittelun-

terlage aus Filz (140 mm + 0,5 - 0 mm), werden mit Stanze oder Schere zugeschnitten.

Durchführung

Für die Scheuerprüfung werden die Messproben auf einer polyetherurethan Schaum-

stoffunterlage von 3 mm Dicke, 30 kg ·m−3 Dichte und einer Eindruckhärte von 5,8 kPa

im Probenhalter befestigt und mit (795 ± 7) g, entsprechend einem Nenndruck von 12

kPa, belastet. Der Druck entspricht der Vorgabe für Polsterbezugsstoffe. Es wurde mit

Schaumstoffunterlage geprüft, da die Flächengewichte der Proben ≤ 500 gm2 betragen.

Die Prüfung erfolgte mit vier Materialien (siehe Kap. 4.2 und Anhang A.2):

• Köper (2/1) (novonic CWF Gewebe)

• Ripstop (Picasso)

• Charmeuse (Dali)

• Köper (offen)

Da es sich bei den zu untersuchenden Laboratoriumsproben um Möbelstoffe handelt,

wird entsprechend der folgenden Intervalle in Tabelle 5 bewertet.



Tabelle 5: Bewertungsintervalle für die Scheuerprüfung, Quelle: EN 14465:2003 +A1:2006, Anhang A, S. 12

Normative Abweichung

Das nach ISO 139 definierte Normklima mit einer Temperatur von (20 ± 2)C und einer

relativen Luftfeuchte von (65 ± 5)% konnte im Durchführungslabor der Hochschule für

Angewandte Wissenschaften nur hinsichtlich der Temperatur eingehalten werden. Die

Luftfeuchte lag bei (35 ± 2)%.

Auf die entsprechend der Norm EN 14465:2003 + A1:2006 vorgesehene Bewertung der

Farbänderung nach 3.000 Scheuertouren wurde verzichtet, da sich die zu prüfenden

Materialproben in der endgültigen Verarbeitung nicht im Sichtbereich des Anwenders

befinden und die Untersuchung keinen weiteren Hinweis auf die Strapazierbarkeit des

Materials erbringen. Eine fünfte Referenzprobe wurde nicht geprüft.

Prüfbericht

Den Messergebnissen ist zu entnehmen, dass der Köper (2/1) als einziges Material die

Anforderungen der Kategorie A für Möbelstoffe erfüllt. Die anderen textilen Flächen wei-

sen eine deutliche schlechtere Scheuerbeständigkeit auf.

Tabelle 6: Prüfergebnisse der Scheuerbeständigkeit von Gewebe und Gewirk

Die detaillierten Messwerte sind dem Anhang A.2 zu entnehmen.



5.2 Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit nach EN ISO 13 934-1:1999 definiert Zugeigenschaften textiler Flä-

chengebilde welche mit dem Streifen-Zugversuch und einem nach EN 30012-1 genorm-

ten Zugprüfgerät mit konstanter Prüfgeschwindigkeit (CRE) ermittelt werden. Dabei wird

eine textile Messprobe vorgegebener Größe bei konstanter Verformungsgeschwindig-

keit bis zum Bruch gedehnt. Die Höchstzugkraft sowie die Höchstzugkraft-Dehnung wer-

den aufgezeichnet. Die Höchstzugkraft Fh ist die maximale Kraft, die während des Zug-

versuchs in Zugrichtung auf die Messprobe einwirkt. Die nachfolgende Kraft-Dehnung-

Kurve (Abb. 13) zeigt die Zugbeanspruchung bis zur Bruchdehnung wie sie charakteris-

tischer Weise bei Textilien auftritt.

Abbildung 13: Kraftdehnungskurve (Quelle: EN ISO 13934-1 : 1999)

Vorbereitung

Es werden für jedes zu prüfende Flächengebilde je ein Satz Messproben in Kett- sowie in

Schussrichtung mit einer Breite von (50 ± 0,5) mm (ohne Fransen) und der Gesamtlän-

ge von 350 mm bei einer Einspannlänge von (200± 1) mm vorbereitet. Ein Satz besteht

aus fünf Messproben. Zur Gewährleistung eines optimalen Prüfergebnisses werden zu

beiden Seiten der entnommenen Messprobe die gleiche Anzahl Längsfäden herausge-

löst, sodass während der Prüfung keine weiteren heraus gleiten. Die Breite der Fransen

variiert je nach Gewebedichte.

Durchführung

Die Prüfparameter entsprechen gemäß der freien Einspannlänge sowie einer



Höchstzugkraft-Dehnung des Flächengebildes von (≥ 8 bis ≤ 75 %) einer Dehnungs-

geschwindigkeit von (50 %min ) und einer Verformungsgeschwindigkeit von (100 mm

min ).

Aufgrund des Flächengewichts von (≤ 200 gm2 ) beträgt die Vorspannung 2 N. Folgende

Materialien wurden geprüft:

• Köper (2/1) (novonic CWF Gewebe)

• Ripstop (Picasso)

• Charmeuse (Dali)

• Köper (einfach)

Normative Abweichung

Das nach ISO 139 definierte Normklima mit einer Temperatur von (20 ± 2)C und einer

relativen Luftfeuchte von (65 ± 5)% konnte im Durchführungslabor der Hochschule für

Angewandte Wissenschaften nur hinsichtlich der Temperatur eingehalten werden. Die

Luftfeuchte lag bei (35 ± 2)%.

Da es sich bei dem zu prüfendem Gewebe Picasso um eine Musterprobe von begrenzter

Größe handelt, konnten nur drei statt fünf Laboratoriumsproben geprüft werden. Bei der

Probennahme wurde der vorgegebene Mindestabstands von 150 mm von der Schnitt-

kante unterschritten.

Prüfbericht

Die nachfolgende Tabelle 7 zeigt die nach EN ISO 14465:2003 + A1: 2006 definierten

Kategorien, nach welchen bewertet wurde.

Tabelle 7: Kategorien der Zugprüfung, Quelle: Norm EN ISO 14465:2003 + A1:2006.

Bei der Zugprüfung ergaben sich folgende Werte bei den vier untersuchten Messproben

(Tabelle 8):

Der Köper (2/1) erfüllt als einziges Material sowohl in Kett als auch Zugrichtung die An-

forderungen der Kategorie A. Der Ripstop (Picasso) sowie der Köper (offen) schneiden

deutlich schlechter ab. Da das Charmeuse (Dali) als Kettenwirkware eine extrem große



Tabelle 8: Ergebnisreihe der durchgeführten Zugversuche nach EN ISO 13934-1

Dehnung aufweist, und die Fläche fixiert nicht verarbeitet werden sollte, wurde auf die

Zugprüfung verzichtet. Detaillierte Angaben zum Prüfungsverlauf der einzelnen Mess-

proben lassen sich dem Anhang A.3 entnehmen.

5.3 Elektrischer Oberflächenwiderstand

Das folgende Kapitel behandelt Messversuche zur Ermittlung des elektrischen Oberflä-

chenwiderstands bei textilen Flächen und Fäden sowie einer Folie und Klettverschluss.

Diese sind im Einzelnen: Köper (2/1), Ripstop (Picasso), Charmeuse (Dali), Köper (of-

fen), Vlies (Rubens), Halbzwirnware, Maschenware (ESD-Material), Velostat, Klettver-

schluss, Zwirn (weich gedreht) und Zwirn (hart gedreht) (Vgl. Kap. 4.2). Der Oberflä-

chenwiderstand, angegeben in Ohm [Ω], beschreibt den horizontalen Widerstand längs,

quer oder kreisförmig zur Probenoberfläche (Reumann, 2000, S. 792). Seine Größe wird

u.a. von der Messanordnung, der Luftfeuchtigkeit sowie Verunreinigungen auf der Ober-

fläche beeinflusst.

Die Prüfung erfolgte z.T. mit unbehandelten als auch behandelten Proben und sollte eine

mögliche Auswirkung selbiger auf die Oberflächenleitfähigkeit untersuchen. Die Behand-

lungen sind:

1. Gebügelt ohne Dampf

2. Gebügelt mit Dampf

3. Gewaschen

Für die Versuche erfolgte der Bau eines Messgrößenaufnehmers, da keiner vor-

handen war. Der Aufbau ist einer Entwicklung des Forschungsinstitutes Denken-



dorf nachempfunden, welches sich beim Forschungsvorhaben Elektrisch leitfähige

Drucktinten für textile Anwendungen12 mit Oberflächenwiderständen beschäftigte.

Abbildung 14:

Messgrößenaufnehmer für den

Oberflächenwiderstand

Der Eigenbau besteht aus zwei im Abstand von

50 mm parallel angeordneten Messsonden (Elek-

troden) mit den Maßen von 50 mm Breite x 38

mm Höhe x 10 mm Dicke, die von einem qua-

dratischen Plexiglasblock gehalten werden. Zwei

in diesem befestigte Schrauben ermöglichen die

Kontaktierung der Elektroden und über zwei Kro-

kodilklemmen den Anschluss an ein Ohmmeter.

Ein Gewicht von 934 g verbessert den Kontakt

von Elektroden und zu prüfender Fläche, sodass

inklusive Messgestell mit einem Gesamtanpress-

druck von 1 kg geprüft wird. Mit diesem in Abbil-

dung 14 gezeigten Versuchsaufbau ist auf einer quadratischen Testfläche von 25 cm2

der Oberflächenwiderstand bestimmbar.

Vorbereitung

Die Vorbereitung der Materialien beinhaltete den Bügel-, den Wasch- sowie den Relaxi-

onsprozess. Für die Probennahme erfolgte der Zuschnitt vier ausreichend großer Flä-

chen je Material. Der anschließende Bügelvorgang mit und ohne Dampf auf einer veit

varioset Bügelanlage bei 120 C, 20 s Bügeldauer und 10 s Absaugzeit wurde an je zwei

Materialprobe durchgeführt. Alle Proben ruhten danach 24 h zur Klimaangleichung im

spannungslos ausgebreitetem Zustand auf einer glatten, isolierenden Unterlage bei 20

C und 52 % rel. Luftfeuchte.

Durchführung

Zur Ermittlung des Oberflächenwiderstands wurde der Messfühler in Kett-

/Schussrichtung auf der textile Fläche platziert, sodass die Elektrodenflächen parallel zu

den Schuss-/Kettfäden laufen. Je Probe erfolgten zehn Messungen in Kett- und Schuss-

richtung. Für eine statistisch gute Erfassung der Fläche wurde für jeden Messwert ein

neuer Bereich mit jeweils anderen Schuss- und Kettfäden geprüft. Es zeigte sich, dass

mit dem Köper (offen), der Halbwirnware sowie der Maschenware (ESD-Material) keine

Messung durchführbar war. Dies beruht auf der Tatsache, dass die Anzahl leitfähiger Fä-

den sehr gering ist und selbige nicht durch eine Berührung der Oberfläche kontaktierbar

12Vgl. AIF-Forschungsvorhaben Nr.: 14318 N: Elektrisch leitfähige Drucktinten für textile Anwendungen;Abschlussbericht für den Zeitraum: 1.02.2005 bis 31.01.2007 / Deutsche Institute für Textil- und Faserfor-schung Denkendorf.



sind. Die Messwerte des Vliesstoffs lagen im kΩ Bereich und zeugen für einen hohen

Oberflächenwiderstand. Das Velostat wurde im kΩ Bereich gemessen, alle anderen

Proben ergaben gute Messwerte im Ω Bereich.

Prüfbericht

Den in Tabelle 9 dargestellten Messergebnissen ist zu entnehmen, dass der Klettver-

schluss mit 0,9 Ω über den geringsten Oberflächenwiderstand verfügt. Dieses Ergebnis

ist sehr positiv und spricht für die Verwendung des selbigem als Anschlusstechnik (Vgl.

Kap. 6.4.3), da für einen guten Kontakt eine hohe Leitfähigkeit erforderlich ist. Die für

die Prototypen genutzten Materialien Köper (2/1) und Zwirn (hart gedreht) wurden ferner

gebügelt und gewaschen. Es zeigte sich, dass durch diese Behandlung der Oberflä-

chenwiderstand sinkt. Dies erleichtert die Verarbeitung und den Gebrauch.

Der Oberflächenwiderstand des Köper (offen) lies sich nicht messen. Ursache waren die

nicht über die Oberfläche kontaktierbaren Metallfäden. Wie sich in der Musterentwick-

lung zeigte führt dieser Effekt dazu, dass ein Kontakt über einen Druckknopf nur einen

mäßig guten Kontakt herstellt (Vgl. Kap. 6.1.1).

Tabelle 9: Oberflächenwiderstandsmessung

Bei den Flächen zeigt sich das Ripstop-Gewebe mit einem Widerstand von 1,7 Ωcm2 als

leitfähigstes Material im niederohmigen Bereich. Dieser Effekt basiert auf der vollflä-

chigen Versilberung der Einzelfasern, die eine sehr gute Kontaktierung ermöglichen.

Obwohl auch das Charmeuse (Dali) aus rundum vollversilberten Nylonfäden besteht,

enthält es wegen der lockeren Maschenstruktur einen geringerer Silberanteil auf der



Testfläche. Der Köper (2/1) hat durch den recht hohen Silberanteil von 23% eine gu-

te Leitfähigkeit. Durch die als Vollzwirn verarbeiteten Silberfilamente erfassen die Elek-

troden aber z.T. metallfreie Stellen des Zwirns. Demzufolge ist eine geringere Oberflä-

chenleitfähigkeit als beim Ripstop-Gewebe messbar. Da keine Angaben zu der genauen

Materialzusammensetzung beim Ripstop-Gewebe und dem Charmeuse vorliegen, ist es

nicht auszuschließen, dass die sehr gute Oberflächenleitfähigkeit neben der Flächen-

konstruktion auch auf den hohen Silberanteil zurück zu führen ist. Es wäre zu prüfen,

ob der Köper und das Ripstop-Gewebe bei der Messung des Durchgangswiderstands

ähnliche Werte aufweisen.

Im Vergleich von hart und weich gedrehtem Zwirn verfügt der Zwirn (hart gedreht) mit 92Ωm über einen geringeren Widerstand als der Zwirn (weich gedreht) mit 108 Ω

m . Da beide

Fäden von gleichem Gewicht sind (0,1 gm ), ist dieser Effekt auf die Skalierung der Me-

tallmenge (Silber) oder das Veredlungsverfahren (Galvanisieren, Versilbern, Aufdampfen

usw.) zurückzuführen.

Das Velostat ist mit 30 kΩcm2 im hochohmigen Bereich und eignet sich damit als „Halblei-

ter“ im resistiven Sensor 1 (Vgl. Kap. 6.2). Im Gegensatz dazu ist der Oberflächenwider-

stand des Vliesstoffes für diesen Einsatz zu gering. Eine Auflistung der Einzelmesswerte

ist dem Anhang A.4 und A.5 zu entnehmen.

5.4 Elektrische Kapazität

Die folgende Messreihe wurde zur Ermittlung der Distanz, bei welcher eine Annäherung

sensorisch erfasst werden kann, durchgeführt. Darüber hinaus sollten Vergleichswerte

von vier leitfähigen Materialien sowie unterschiedlichen Elektrodengrößen bei festge-

legten Abständen geschaffen werden. Die entscheidende Messgröße stellt dabei die

elektrische Kapazität der Messelektrode (leitfähiges Textil) dar.

Die elektrische Kapazität (von lateinisch capacitas = Fassungsvermögen, Formel-

zeichen C = Coulomb) ist eine physikalische Größe aus der Elektrostatik. Sie drückt

die Speicherfähigkeit eines Systems für eine Ladung Q aus. Je größer die Kapazität,

desto mehr Ladung kann ein System aufnehmen (Reumann, 2000, S.781). Durch die

Annäherung einer bewegten Fläche (Masse) an die Messelektrode verändert sich, wie

in Abbildung 15 dargestellt, das elektrische Feld und damit die Kapazität der Mess-

elektrode. Je dichter sich die Masse an der Messelektrode befindet, desto größer ist

die Kapazität. Die Schirmelektrode bewirkt einen gerichteten Feldaufbau zwischen der

Messelektrode und der bewegten Fläche, sodass nur Veränderungen der bewegten



Fläche detektiert werden.

Abbildung 15: Wirkungsweise eines kapazitiven Sensors, (Quelle:http://de.factolex.com/Kapazitiver_Sensor)

Die Mess- sowie die Schirmelektrode (Guard) bestehen im vorliegenden Fall aus leitfä-

higem Textil, die Veränderung des kapazitiven Feldes wird durch die Annäherung eines

Objektes (Mensch) erzeugt.

Die Prüfung erfolgte mit einem in Eigenfertigung gebauten Messgerät. Es besteht aus ei-

ner rechteckigen Fuß- und Deckplatte aus Holz mit den Maßen von 40 cm Breite x 29 cm

Länge, welche durch vier Rundholzstäbe von 3 mm Durchmesser und einer Länge von

120 cm getragen werden. Eine Seiten- sowie die Rückwand sind zusätzlich durch Span-

platten stabilisiert. Über ein Seilsystem ist eine auf Masse gesetzte Metallplatte aus ST

37 Baustahl mit den Maßen von 210 mm Breite x 310 mm Länge x 1,5 mm Dicke gegen

die Messelektrode bewegbar. Ein 1,50 m langer Messarm mit einer Halbschelle ermög-

licht die Steuerung des Seilsystems von einer Position außerhalb des Messaufbaus und

verhindert somit Störeinflüsse beim kapazitiven Feld. Zum Ablesen der Messabstände

ist ein Maßband an der Seitenwand sowie auf dem Messarm angebracht.

16.1: (a) 16.2: (b) 16.3: (c) 16.4: (d)

Abbildung 16: Aufbau des Messgeräts zur Ermittlung der Kapazität



Vorbereitung

Die Kapazitätsmessung erfolgte mit Elektroden in vier verschiedenen Größen (siehe Auf-

listung Elektroden 1-4). Es wurde je Größe ein Satz Messelektroden, bestehend aus drei

Prüflingen, entsprechend dem zu testenden Material zugeschnitten. Um eine einheitliche

Basis zum Vergleich der Stoffproben zu schaffen, wurde die Versuchsreihe jeweils mit

100 cm2 Elektroden durchgeführt. Die 200 cm2 große Elektrode sollte eine Aussage

über ein mögliches proportionales Verhalten von Fläche und Kapazität ermöglichen. Die

Maße von zwei weiteren Versuchsdurchführungen entsprechen den Originalgrößen der

inneren und äußeren Elektroden. Die Elektroden sind:

1. Alle Materialien: 100 cm2 (Breite 10 cm x Höhe 10 cm)

2. Köper (2/1): 200 cm2 (Breite 14,1 cm x Höhe 14,1 cm)

3. Köper (2/1): 306 cm2 (Breite 9 cm x Höhe 34 cm)⇒ Originalgröße innere Elektro-

den

4. Köper (2/1): 3640 cm2 (Breite 91 cm x Höhe 40 cm) ⇒ Originalgröße äußere

Elektrode

Die Materialauswahl für die Elektroden erfolgte anhand vergleichsweise sehr guter Er-

gebnisse des Köpers 2/1 bei den textilen Prüfungen (Zug- und Scheuerprüfung), die für

den Einsatz im weiteren Entwicklungsprozess sprechen. Der Ripstop, Charmeuse und

Köper (offen)(Vgl. Kap. 4.2) schufen eine generelle Vergleichsbasis in Form der 100 cm2

Elektrode.

Durchführung

Für die Messung wurde die jeweils zu testende Elektrode an den Sensor angeschlossen

und die Metallplatte mit dem Minuspol verbunden. Im Falle der Elektroden 1-3 kam das

CapSense-Toolkit zum Einsatz, die Messwerte der Elektrode 4 werden an den Sensor

aus der Sicherheitstechnik weitergeleitet. Die Messreihe startete mit einem Abstand von

100 cm zwischen Messelektrode und Masse. Über die graphische Kurvendarstellung auf

dem Monitor ließ sich eine detektierte Annäherung visualisieren und der exakte Wert war

bestimmbar. Der dazugehörige Abstand konnte vom Messgerät abgelesen werden.

Prüfbericht

Die Messwerte für die vier verschiedenen Materialien gleicher Größe (100 cm2) liegen

mit Werten von 15 -23 cm in ähnlichem Bereich. Eine Vergrößerung der Sensorfläche

(Köper (2/1)) führt zu einer deutlich besseren und damit früheren Detektierung, wie auch



Abbildung 17 zeigt: 15 cm bei 100 cm2, und 90 cm bei 3640 cm2.

Abbildung 17: Erste detektierbare Annäherung bei verschiedenen Materialien und Elek-trodengrößen

Betrachtet man die relativen Veränderungen der Messwerte, beginnend mit dem ersten

detektierbaren Messwert, so sind deutlich messbare Veränderungen festzustellen. Die

Veränderungen sind umso größer, je näher die bewegte Fläche (Masse) der Elektrode

kommt. Die Kurven (Abbildung 18.1 und 18.2) zeigen einen logarithmischen Verlauf.

Alle Sensoren, unabhängig von der Elektrodengröße, weisen ähnliche logarithmische

Verläufe auf. Die detaillierten Messwerte sind dem Anhang A.6 zu entnehmen.

18.1: 18.2:

Abbildung 18: Veränderung der Messwerte bei Annäherung in % zum ersten detektier-baren Messwert bei Köper (2/1) und unterschiedlichen Elektrodengrößen



5.5 Fixiertest

Das folgende Kapitel erörtert durchgeführte Fixiertests zur Flächenstabilisierung der

Kettenwirkware (Charmeuse) sowie des Köpers (offen)13. Des Weiteren soll ein Verfah-

ren für eine stabile Schließnaht beim Charmeuse gefunden werden.

Das Charmeuse besitzt eine ausgeprägte Elastizität mit bleibender Dehnung in Rich-

tung der Maschenreihen sowie eine sehr glatte Warenoberfläche. Dies hat bei geringer

Zugausübung eine starke Flächendeformation zur Folge und macht den Einsatz als

Kissenbezugsstoff hinfällig. Eine ausgeprägte Dimensionsstabilität ist zudem für ein

gutes sensorisches Ergebnis wichtig. Aus diesen Gründen erfolgten Fixiertests mit einer

Gewebeeinlage sowie einer Vlieseinlage mit und ohne Längsverstärkung14, die zu den

in Tabelle 10 gelisteten Ergebnissen führten:

Tabelle 10: Fixiertest mit Einlagen

Durch die Flächenfixierung ließ sich ebenfalls der Effekt des Nahtbruch eliminieren.

Dieser ergab sich bei geringer Dehnung einer Schließnaht in Maschenreihenrichtung,

ausgeführt mit Doppelsteppstich und 4 Stiche pro Zentimeter. Bei Nahtversuchen im

unfixierten Zustand zeigte sich, dass eine Überwendlichnaht im Vergleich zu einem

Kettenstich oder einem Doppelsteppstich mit 6 Stichen pro Zentimeter die höchste

Elastizität ausweist und daher als Fügeverfahren des Kettengewirks geeignet ist. Ist die

Fläche fixiert, kann die Schließnaht mit dem eingangs beschriebenen Doppelsteppstichs

ausgeführt werden.

Für eine bessere Nahtschiebefestigkeit beim Köper (offen) wurden ein Vliesband,

13Vgl. Mappenanlage14Vgl. Mappenanlage



ein Gewebeband (gerader Fadenlauf) sowie ein Gewebeband (schräger Fadenlauf)15

getestet. Mit letzt genanntem konnte eine sehr gute Gewebestabilität mit hohem Naht-

schiebewiderstand (siehe Tabelle 11) erzielt werden.

Tabelle 11: Fixiertest mit Aufbügelbändern

Prüfbericht

Zur Verarbeitung der Kettenwirkware muss das Material in der Arbeitsvorbereitung

mit einer längsverstärkten Einlage stabilisiert werden. Im unfixierten Zustand konnte

mit der Überwendlichnaht ein Fügeprinzip angewandt werden, welches zwei Lagen in

Maschenstäbchen- und Maschenreihenrichtung gut verbindet. Bei fixierter Fläche kön-

nen Schließnähte mit Doppelsteppstich (4 Stiche pro cm) ausgeführt werden. Trotz der

sehr guten leitfähigen Eigenschaft sowie eines guten Ergebnisses (Kategorie B) bei der

Scheuerprüfung, die ohne Einlage erfolgte und der Kapazitätsprüfung, wird von der Ver-

wendung abgesehen, da die Fixierung aller Schnittteile erheblichen Zusatzaufwand und

Kosten in Zuschnitt und Arbeitsvorbereitung mit sich bringt. Die Einlage unterliegt im

Kissen zudem Scheuerkräften, sodass die Materialbeständigkeit sowie die Haftung von

Oberstoff und Einlage unter diesen Bedingungen zu prüfen wären.

5.6 Auswertung der Prüfungsergebnisse

Das Material Köper (2/1) erfüllt als einziges sowohl die textilen wie auch die elektrischen

Anforderungen. Bei der Materialauswahl lag der Entscheidungsschwerpunkt auf den

textilen Eigenschaften. Der Ripstop sowie das Charmeuse fallen bei den Anforderungen

an Scheuerbeständigkeit und Zugfestigkeit durch. Der Köper (offen) zeigt ebenfalls

Probleme bei diesen Anforderungen. Hinzu kommt bei selbigem die Problematik der

sehr schlecht kontaktierbaren Metallfäden.15Vgl. Mappenanlage



Auf Basis dieser Prüfungsergebnisse wurde das Material Köper (2/1) für die Ent-

wicklung des Prototyps ausgewählt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Übersicht 12

zusammengefasst:

Tabelle 12: Übersicht der Prüfungsergebnisse

6 MUSTERERSTELLUNG 38

6 Mustererstellung

Der Schwerpunkt der Musterentwicklung lag auf der Untersuchung verschiedener Kon-

struktionstypen von resistiven und kapazitiven Sensoren. Die Wahl des Materials für

selbige dagegen war sekundär. In einer iterativen Vorgehensweise flossen die Erfah-

rungen des vorhergehenden Musters in die Folgentwicklung ein und ermöglichten die

sukzessive Untersuchung verschiedener Elemente des jeweiligen Sensortyps:

• Äußere/ innere Elektrode/ Schirmung (kapazitiver Sensor)

• Dreilagiger/ einlagiger Aufbau (resistiver Sensor)

Begleitend zu den Musterentwicklungen erfolgten die in Kapitel 5 erläuterten Materi-

alprüfungen, deren Ergebnisse im Entwicklungsprozess berücksichtigt wurden. Ferner

konnten im Prozess neue Erkenntnisse zu den Materialeigenschaften gewonnen wer-

den.

Es entstanden je Sensorart mehrere Muster, die die Entwicklungsetappen dieser For-

schungsarbeit widerspiegeln und als Vorläufer der Prototypen fungieren.

6.1 Kapazitiver Sensor

Das folgende Kapitel stellt die Musterentwicklung des kapazitiven Sensors dar. Elektro-

de sowie Schirmung sollten textil gefertigt und erforderliche elektrische Leitderbahnen

mit leitfähigen textilen Fäden realisiert werden. Die Wahl eines als Elektrode geeigne-

ten Materials basiert auf den in Kapitel 5 dargestellten Prüfungen zur Ermittlung textiler

und oberflächenleitfähiger Eigenschaften. Es wurden schrittweise oberflächenleitfähige

Materialien gefunden. Da sich die anfänglich geprüften Materialien als ungeeignet her-

ausstellten, entstand ein längerer Suchprozess, der auch dadurch bestimmt wurde, dass

der Markt oberflächenleitfähiger textiler Flächen z.Z. nicht sehr ausgeprägt ist.

Für den kapazitiven Sensor wurden nacheinander fünf Muster mit verschiedenem Auf-

bau und Materialien entwickelt:

Muster 1: Äußere Elektrode und Schirmung = Material: Köper (offen)

Muster 2: Innere Elektrode (Fläche) = Material: Ripstop (Picasso)

Muster 3: Innere Elektrode (Streifen) = Material: Köper (2/1)

Muster 4: Verarbeitungsvarianten der Schirmung = Material: Köper (2/1)

Muster 5: Innere Elektrode, Guard und Schirmung = Material: Köper (2/1)

Diese Muster werden in den nachfolgenden Kapiteln im Einzelnen beschrieben:


6.1.1 Äußere Elektrode und Schirmung

Das erste Muster entstand als gesamte Rückenkissenhülle, bestehend aus

der Schirmung sowie der äußeren Elektrode aus Köper (offen)1. Die Ferti-

gung der inneren Elektrode entfiel, da die generelle Funktion dieses Materials

als Sensor und Schirmung geprüft werden sollte. Die Elektrode befindet sich

auf der Kissenvorderseite und geht über die gesamte Kissenbreite und Höhe.

Abbildung 19: Vordere Elektrode und

Schirmung

Sie ist mit einem 20 mm Abstand von der Schir-

mung getrennt und wurde auf einen nicht leit-

fähigen Futterstoff aufgesteppt. Die Maße des

Sensor-Kissenbezugs wurden durch Ausmessen

des Polsters ermittelt. Der Kissenbezug besaß ei-

ne gute Passform.

Es stellte sich heraus, dass das Gewebe als

Sensor anwendbar ist. Dies ist durch die Eigen-

schaft bedingt, dass bei elektrischem Stromfluss

jeder metallische Schussfaden ein kapazitives

Feld aufbaut und Teil des Gesamtfeldes wird. Bei der Schirmung hingegen bleiben die

parallel verlaufenden Fäden getrennt und der Strom fließt lediglich durch jene Metallfä-

den, welche direkten Kontakt mit der Anschlussstelle haben.

Zur Behebung dieses Effekts sollte ein leitfähiger Zwirn (hart gedreht), in Kettrichtung

aufgesteppt, eine Verbindung der Schussfäden schaffen. Wie Tabelle 13 zeigt, wurden

verschiedene Stichtypen mit einer Haushaltsnähmaschine geprüft.

Tabelle 13: Stichtypen für die Applikation eines leitfähigen Zwirns


Abbildung 20: Muster verschiedener

Stichtypen beim Köper (offen)

Durch den applizierten Faden konnte keine Ver-

bindung zwischen den Schussfäden hergestellt

werden. Auch bei einer größeren Kontaktflä-

che des Zwirns zu den Metallfäden durch einen

Zick-Zack-Stich ließ sich kein Kontakt herstellen.

Durch die große Stichlänge und das weiche Ma-

terial zog sich bei Stichtyp 4 das Material zu-

sammen und bei Zugausübung verzogen sich die

Kettfäden über die Schussfäden und es kam zur Lochbildung. Dieser Effekt trat eben-

falls bei den sehr eng ausgeführten Stichen von Stichtyp 5 auf. Bei dem Gebrauch des

leitfähigen Zwirns im Unter- und Oberfaden ließ sich ebenfalls kein Oberflächenkontakt

erzielen. Abbildung 20 zeigt das Muster mit den verschiedenen Stichtypen.

In einem weiteren Versuch erfolgte der Auftrag einer leitfähigen Farbe (Vgl. Kap. 4.2)

auf die Warenoberseite. Auch dieser Versuch führte nicht zum gewünschten Ergebnis.

Kritische Betrachtung

Aus den Versuchen wird deutlich, dass das Material zwar als Sensor, nicht jedoch als

Schirmung zu verarbeiten ist. Versuche, die leitfähigen Schussfasern zu verbinden,

konnten weder mit einer Verbindungsnaht aus leitfähigem Zwirn noch mit einer leitfä-

higen Farbe erzielt werden. Auch die in Kapitel 5.1 und 5.2 beschriebenen textilen

Prüfungen sprechen gegen eine weitere Verwendung.

6.1.2 Muster 2: Innere Elektrode (Fläche)

Der Entwicklung des zweiten Musters lag die Überlegung zu Grunde, die Rückenkissen

mit vier Sensorflächen zu bestücken, wobei die beiden mittleren halb so groß wie die

beiden äußeren Flächen sind und gekoppelt werden können. Die Kopplung sollte dann

vorgenommen werden, wenn es sich um die Detektierung eines größeren Objektes

handelt und dieser mit drei Flächen präzise ausgemacht werden kann. Kleinere Objekte

können mit vier Flächen exakt erfasst werden. Die Elektroden mit einer Breite von 29

cm x 37 cm Höhe entstanden aus leitfähigem Ripstop Gewebe und wurden mit einem

Abstand von 8 mm auf einen Futterstoff aufgesteppt. Der Futterstoff entsprach den

Maßen der Rückwand des Rückenkissens und zu Versuchszwecken wurde lediglich

eine Hälfte mit Elektroden bestückt.

Der Test nach Anschluss der Elektronik und Software, wie sie von Oliver Dreschke in

der Masterarbeit 2011 entwickelt wurde, zeigte, dass die zwei applizierten Elektroden

als ein Sensor agieren. Die Elektroden liegen zu dicht bei einander, sodass sich die

elektrischen Felder der parallelen Elektroden überschneiden. Die in Abbildung 21


dargestellten Versuche eines Forscherteams der Universität Bonn mit Metallelektroden

zeigen, dass zum Verhindern eines Überspringens des elektrischen Feldes bei neben

einander angeordneten Elektroden ein Abstand von ca. der doppelten Elektrodenbreite

bestehen sollte. Damit ließe sich ein sehr gutes Ergebnis erzielen. Sind im gewünschten

Einsatzbereich Signalungenauigkeiten akzeptabel, so können die angegebenen Abstän-

de unterschritten werden (Raphael Wimmer, 2007). Für die textilen Elektroden von 1073

cm2 müsste ein Abstand von mehr als 40 cm eingehalten werden. Bei der Kissenbreite

von 93 cm erlaubte dies die Unterbringung einer Elektrode. Die Verwendung zweier

Elektroden von 9 cm Breite x 34 cm Höhe (306 cm2) ließe sich beispielsweise mit einem

Abstand von < 30 cm umsetzen.

Abbildung 21: Minimaler Abstand zwischen zwei Elektroden (Raphael Wimmer, 2007)

Das Ripstop Gewebe ist als Sensor und Schirmung sehr gut geeignet, zeigt aber beim

Bügelprozess sowie der Scheuer- und Zugprüfung (Kap 5.1 und 5.2) im Vergleich zum

Köper (2/1) schlechtere Ergebnisse. Aus diesem Grund wird das Material nicht weiter

verarbeitet.

6.1.3 Muster 3: Innere Elektrode (Streifen)

Der weitere Arbeitsprozess sah vor, anstelle großflächiger Elektroden die Sensorfläche

streifenförmig zu gestalten. Um trotzdem Objektannäherungen/-änderungen präzise

erfassen zu können, sollten sie kreuzweise verlaufen. Zur Bestückung der Rückenfläche

dienten vier je 50 mm breite Streifen, die auf ein Hilfsmaterial (Futterstoff) aufgesteppt

wurden.


Abbildung 22: Innere Elektrode (Streifen)

Die Streifen bestehen aus leitfähigem

Köper (2/1) (Vgl. Kap. 4.2), wobei

zwei Diagonalen einen Schnittpunkt

mittig der Fläche bilden und von zwei

senkrecht aufgesteppten Elektroden

gekreuzt werden. Diese dritteln die

Gesamtfläche. Durch diesen Aufbau

werden mittels der Schnittpunkte von

vier Elektroden fünf Sensorpunkte gebildet und eine Elektrode wird damit eingespart.

An den Kreuzungspunkten verhindert eine Isolierschicht, welche beidseitig der jeweils

unteren Elektrode aufgesteppt ist und größer ist als die obere Elektrode, einen direkten

Kontakt. Abbildung 22 zeigt den konstruktiven Aufbau der Sensorstruktur.

Abbildung 23: Kreuzung von

zwei länglichen Elektroden

Nach Anschluss der Elektroden an die CapSense Sen-

soren ließ sich feststellen, dass bei einer Annäherung an

den rechten Rand der Sensorfläche derselbe Sensorwert

detektiert wird wie bei einer Annäherung am linken, obe-

ren oder unterem Rand der Fläche. Die Software stellte

bezüglich jeder Elektrode eine gleich starke elektrische

Feldänderung in Form eines Ausschlags der Messkurve

dar. Daraus lässt sich schließen, dass eine isolieren-

de Stoffschicht nicht zur Verhinderung der elektrischen

Feldausbreitung im Bereich des Kreuzungspunktes aus-

reicht.

Zur Behebung dieses Effekts entstand eine Elektrodenstruktur, die im Bereich des

Schnittpunktes eine starke Verjüngung der Elektroden wie in Abbildung 23 dargestellt,

aufweist. Am Kreuzungspunkt unterband eine Trennschicht den direkten Elektrodenkon-

takt. Es zeigte sich, dass sich auch bei dieser Elektrodenanordnung die elektrischen

Felder überlagerten.

Eine weitere Reduktion der Kontaktfläche im Kreuzungsbereich ließ sich durch die An-

bindung eines elektrisch leitfähigen Zwirns zwischen zwei Elektrodenabschnitte erzielen.

Der Zwirn wurde an beiden Enden auf je eine Elektrode appliziert, sodass eine leitende

Verbindung geschaffen wurde. Im Bereich des Schnittpunktes der Sensorfäden wurde

ein nicht leitfähiges Material zur Isolierung zwischen gelegt.

Mit diesem Aufbau lies sich eine Matrix mit einem sehr dichten Sensornetz erstellen.


Je nach gewünschter Feinheit der Matrix können die Sensorpunkte in länglicher oder

quadratischer Form gefertigt werden. Durch das Streifenprinzip lassen sich zusätzliche

Anschlussstellen vermeiden und mit bspw. acht Sensorstreifen sind sechzehn Sensor-

punkte umsetzbar.


Aus den Versuchen wird deutlich, dass bei der Fertigung einer Sensorstreifenmatrix das

Wirkungsfeld der Elektrodenkapazitäten für die Bestimmung der Abstände ausschlag-

gebend ist. Diese ist vom Material sowie der angelegten Struktur abhängig, und muss

durch empirische Untersuchungen ermittelt werden.

Es ist anzumerken, dass die vier Streifen fünf Punkt Sensorform nicht in jeder Anwen-

dung erforderlich ist. Im Rückenkissen ist mit fünf Sensorpunkten anstelle von zwei Sen-

sorpunkten keine zusätzliche Information ermittelbar. Das Rückenkissen bedeckt mit 40

cm Höhe die Hälfte eines menschlichen Rückens bzw. den gesamten Rücken eines Kin-

des. Wird eine schräge Position eingenommen und sowohl eine untere sowie die schräg

gegenüber liegende obere Ecke angesprochen, so ist diese Position auch mit zwei Sen-

sorflächen detektierbar. In einer Sitzfläche dagegen ist es nützlich, anstelle von zwei

Sensorflächen eine feinere Unterteilung zu wählen, um exakter eine Sitzposition zu be-

stimmen. Die Maße eines Sitzkissens betragen 94 cm Breite x 65 cm Tiefe. Wird bspw.

eine Position eingenommen, bei der die Person sehr weit hinten auf dem Kissen mit auf-

gestützten angewinkelten Beinen sitzt, so ließe sich sowohl der Kontakt der Füße als

auch des Rumpfes ermitteln. Da ein Rückenkissen als kapazitiver Sensor ausgerüstet

werden soll, wird im weiteren Vorgehen die Form zweier senkrecht verlaufenden Elek-

troden untersucht.

6.1.4 Muster 4: Verarbeitungsvarianten der Schirmung

Ein weiterer Aspekt des kapazitiven Sensors ist die Schirmung. Wie in Kapitel 4.3 erläu-

tert, erzeugt die Kapazität Wechselfelder, die bei starker Ausprägung die menschliche

Gesundheit negativ beeinflussen. Aus diesem Grund entstand ein Aufbau, bei welchem

die Kissenhülle optional komplett geschirmt und eine Veränderung der Sitzsituation über

einen zusätzlichen im Kissen platzierten Sensor (innere Elektrode) erfasst werden kann.

Eine Annäherung an das Kissen ist im Falle der Gesamtschirmung nicht mehr detektier-

bar, aber über den Sensor im Kissen lässt sich eine Situationsänderung erfassen.

Die Kissenvorderseite ist aus dem Köper (2/1) (siehe Kap 4.2) gefertigt und fungiert

als Elektrode. Boden, Seiten, Rücken und Oberseite bestehen ebenfalls aus diesem

Material und überlappen die Elektrode auf der Innenseite um 15 mm. Die Überlap-

pung bewirkt eine lückenlose Schirmung im Fall der Gesamtschirmung des Kissens.


Abbildung 24: Miniatur-

Kissenprototyp

Sie wird durch eine Isolationslage von der Elek-

trode getrennt. Die hinteren Sensoren befinden

sich auf der rückwärtigen Kisseninnenseite. Für

die Untersuchung dieser Sensorkonstruktion er-

folgte die Fertigung eines Musterkissens mit den

Maßen von 120 mm Höhe x 240 mm Länge x

40 mm Tiefe16. Auf Grund der Miniaturisation

des Sensorkissens erfolgte die Umsetzung des

inneren Sensors statt mit zwei Elektroden mit

einer.

Für die Überlappung von vorderer Elektrode und Schirmung wurde je ein Rechteck mit

den Maßen der Kissenvorderseite aus dem leitfähigem Köper (2/1) sowie dem Dobby 4.2

zugeschnitten. Die Rechteckfläche des Köpers (2/1) wurde durch den Ausschnitt eines

kleineren Rechtecks ergänzt, sodass ein 40 mm breiter „Rahmen“ entstand. Dieser

wurde auf die Warenoberseite (WO) der Isolationsschicht mit einem Nahtzugabenein-

schlag von 10 mm nach dem Einschnitt der Innenecken von 10 mm aufgesteppt. Das

Elektrodenrechteck aus dem Köper mit den Maßen von 220 mm Breite x 100 mm Höhe

wurde mit einem Nahtzugabeneinschlag von 10 mm auf die WO der Isolationsschicht

aufgeklebt und durch alle Lagen aufgesteppt. Die Verklebung der Isolationsschicht

wurde vorgenommen, um unerwünschten Kapazitätsänderungen durch Materialbewe-

gungen von Elektrode und Isolation vorzubeugen. Die Elektrode überlappt den Rahmen

aus Köper (2/1) seitlich um 25 mm, ober und unten um 23 mm. Die nun aus dem

Schirmungsrahmen sowie der Elektrode bestehende Vorderseite wird, wie in Abbildung

25.2 gezeigt, rechts auf rechts in das Kissen eingestürzt.

Beim Testen dieser Verarbeitung zeigte sich, dass die Elektrode trotz Isolierschicht mit

der Schirmung verbunden war. Dies rührt daher, dass die Nadeleinstiche Löcher in

der Verbindungsnaht von Schirmung, Isolierung und Elektrode erzeugen. Durch diese

Löcher wird ein elektrischer Kontakt von Einzelfilamanten der leitfähigen Gewebe durch

die Isolationsschicht hindurch ermöglicht. Der hier störende Effekt ließ sich für die

Verbindung von Schirmungsrahmen und Schirmung positiv nutzen. Es entstand wie

gewünscht eine Gesamtschirmung.

Um der Verbindung von Schirmung und Elektrode entgegen zu wirken war es notwen-

dig, zuerst die Isolierung mit dem Schirmungsrahmen zu verstürzen und die Isolierung

16Vgl. Mappenanlage


25.1: Mit kurzer Naht 25.2: Mit durchgehender Naht

Abbildung 25: Nahtschaubilder der Verarbeitung von Schirmung & Elektrode

auf Paspel zu bügeln. Anschließend erfolgten das Auseinanderfalten der verbundenen

Lagen und das Aufsteppen der Elektrode auf die Isolierung (siehe Abbildung 25.1).

Es konnte erfolgreich eine Verarbeitungstechnik von Schirmung und vorderer Elektrode

gefunden werden. Durch die Überlappung von Schirmung und Elektrode ist eine lücken-

lose Schirmung gewährleistet. Ist die vordere Elektrode auf Schirmung geschaltet und

die inneren Elektroden aktiviert, so ist das kapazitive Feld auf das Kissen begrenzt.


Die Verarbeitung der Überlappung, zugeschnitten aus einem Rechteck, erfordert keine

Eckenverarbeitung und verkürzt somit den Fertigungsprozess und anfallende Lohnkos-

ten. Nachteilig hierbei ist der vorgenommene Rechteckausschnitt der überlappenden

Schirmung aus Köper (2/1). Sollte für diesen keine anderweitige Verwendung im Zu-

schnitt gefunden werden, besteht ein höherer Materialverbrauch, der vor allem wegen

des hohen Materialpreises des Köpers vermieden werden sollte. Auch die Verwendung

des Visofix stellt zusätzliche Kosten dar.

Die alternative Verarbeitung bestand in der Fertigung der Schirmungsüberlappung (Kö-

per (2/1) und Dobby) aus einzelnen Streifen, die an den Ecken mit diagonalen Nähten

zu einem Rechteck zusammengesetzt werden. Damit entfällt die durchgängige Isoal-

tionslage und stattdessen wird sie mit dem Schirmungsrechteck aus Köper rechts auf

rechts verstürzt. Die folgende Abbildung 26.1 zeigt das Nahtschaubild dieser Verarbei-

tungsvariante.

Im Falle eines sehr flauschigen Gewebes mit einer offenen Oberfläche wie gerauhter

Ware oder Wollstoffen, ist es sinnvoll, die Isolierung zuerst rechts auf links mit der Schir-

mungsüberlappung zu verstürzen, dann die Elektrode rechts auf rechts auf die Isolierung


26.1: Verarbeitung entsprechend des Prototyps 26.2: Verarbeitung für flauschige Gewebe

Abbildung 26: Nahtschaubilder der Verarbeitung von Schirmung & Elektrode 2

zu steppen und abschließend die Isolierung mit der Schirmungsüberlappung durch eine

Steppnaht zu verbinden. Hierbei lässt sich ein elektrischer Kontakt von Schirmung und

Elektrode definitiv ausschließen.

6.1.5 Muster 5: Innere Elektrode, Guard und Schirmung

Eine weitere Musterentwicklung sah die Einbindung des inneren Sensors in die Mus-

terkissenhülle vor. Es sollte ermittelt werden, wie sich Sensor und hintere Schirmung

verhalten und ob im Zustand einer Gesamtschirmung eine Veränderung am Kissen

erfolgreich detektierbar ist. Die Erwartung war, dass durch die geringe Distanz von

innerem Sensor und Schirmung Störeffekte auftreten können.

Für den Test wurde eine Elektrode aus Köper (2/1) mit den Maßen von 90 mm Breite

und 100 mm Länge, versäubert mit einer Überwendlichnaht, auf eine Isolationsschicht

(Dobby) aufgenäht. Es folgte das Aufsteppen der Isolierung auf die Innenseite der rück-

wärtigen Schirmung des Kissenmusters. Nach Erdung der Schirmung sowie Anschluss

der inneren Elektroden an das CapSense-Toolkit (Vgl. Kap 4.3) zeigte sich, dass nicht

nur die erforderliche Abstandsänderung der vorderen Schirmung zum inneren Sensor

erfasst wird, sondern zudem Kapazitätsänderungen, die durch Materialbewegungen

des Sensors und der hinterer Schirmung ausgelöst werden. Da es sich bei textilen

Flächen um biegeschlaffes Material handelt, ist dieser Effekt immer gegeben und kleins-

te Erschütterungen in der Umgebung genügen zur Auslösung. Um dem entgegen zu


wirken wurden die Elektroden zusätzlich mit Visofix auf das Dobby aufgeklebt, auf eine

Versäuberung der Schnittkanten wurde wegen der Verklebung verzichtet.

Tests ergaben, dass trotz der festen vollflächigen Verbindung von Sensor und Schirmung

weiterhin Störungen wahrgenommen wurden. Diese Verzerrungen des elektrischen Fel-

des treten umso stärker auf, je näher sich die Elektrode an der Schirmung befindet. Die

Sensitivität der Elektrode ist dann besonders groß, da sich das elektrische Feld nicht

ausdehnen kann. Des Weiteren war das Eindrücken des Kissens an der Vorderseite

sensorisch nicht erfassbar. Dies beruht auf dem in Abbildung 27 (links) dargestellten

Effekt, dass sich die hintere Schirmung/ Masse (robot) näher am Sensor (electrode)

befindet, und die Elektrode statt auf den vorderen Bereich der Schirmung (object) auf

den hinteren Bereich reagiert.

Abbildung 27: Ausbreitung des elektrischen Feldes zwischen Elektrode und hintererSchirmung (Fraden, 2004)

Hier kommt der Guard zum Einsatz. Als zusätzliche Elektrode wirkt er wie eine Schutz-

wand zwischen Sensor und Schirmung. Mit Hilfe eines Verstärkers wird er auf das

gleiche Potential wie die Elektrode getrieben und unterdrückt damit wirksam einen

Feldaufbau zwischen Elektrode und Schirmung (Bluth, 2007). Haben die Elektrode und

der Guard das gleiche Potenzial, wird das elektrische Feld wie in Abbildung 27 (rechts)

gezeigt auf die vordere Schirmung/ Masse (object) geleitet. Die verwendeten CapSense

Sensorchips (Vgl. Kap. 4.3) verfügen über eine Anschlussstelle für die Elektrode und

den Guard, über welche die leitfähige Fläche aus Köper (2/1) mit dem Guard verbunden

werden kann.

Die Einbindung des Guards erfolgt nach dem im ersten Absatz dieses Kapitels erläu-

tertem Arbeitsablauf durch eine weitere Lage aus Köper (2/1). Wie auch die Elektrode,

wird der Guard mit Visofix auf die Warenunterseite (WU) des Dobbys aufgeklebt. Er

hat die Maße von 100 mm Breite x 110 mm Länge, sodass er die Elektrode allseitig

um 5 mm überlappt und ein Schutzring entsteht. Der nächste Arbeitsschritt beinhaltet

das Aufkleben des Sensorarrays auf die Innenseite des Kissenrückens aus Dobby, die


wiederum der Isolation von Sensorarray und Schirmung dient. Abschließend wurde

der Dobby mit der rückwärtigen Schirmung verklebt und die gesamte Rückwand in die

Kissenhülle eingenäht. Als Verschluss diente ein 25 mm breiter Spiralreißverschluss aus

Kunststoff. Mit diesem Versuchsaufbau ließ sich eine Annäherung an das Kissen sowie

nach Berührung die Detektierung einer Veränderung im Kissen erfolgreich nachweisen.


Nach wiederholtem Handhaben des Kissenmusters lösten sich Schuss- und Kettfäden

aus innerer Elektrode und Guard und erzeugten elektrische Störkontakte. Des Weiteren

lösten sich partiell die Klebeverbindungen. Zur Vermeidung dieses Effekts ist es sinnvoll,

die Schnittkanten mit einer Überwendlichnaht zu umstechen sowie durch eine zusätzli-

che Steppnaht eine dauerhaftere Verbindung der zu fügenden Lagen zu schaffen. Wich-

tig ist, dass das Aufsticken der Anschlussstellen vor dem Klebeprozess von Elektrode

und Guard durchgeführt werden muss. Im Kapitel 6.4.3 wird auf diesen Arbeitsschritt

näher eingegangen.

6.2 Resistiver Sensor 1: Dreilagenkostruktion

In diesem Kapitel werden die Entwicklungsphasen eines resistiv wirkenden textilen Kraft-

sensors, seine Funktionsweise sowie die Herangehensweise beim Testen und Fertigen

der Musterfragmente erläutert. Die Entwicklung folgt dem Ziel, einen funktionierenden

Sensor für die Erfassung variierender Belastungen auf großen Flächen zu konzipieren.

Auf Grund einer Veröffentlichung einer englischen Designerin mit dem Künstlernamen

Plusea17 2008 war eine Möglichkeit gefunden, ein bereits getestetes Modell nach de-

finierten Anforderungen als Sensorkissenbezug zu fertigen. Es handelt sich um ein

einfaches Wirkungsprinzip, welches für große textile Flächen kostengünstig zu fertigen

ist. Plusea entwickelte eine mit 5 Volt betriebene vier Punkt Pressure-Sensor-Matrix,

durch welche sich der Krafteinwirkungspunkt sowie die einwirkende Kraft selbst ermit-

teln lassen. Der Sensor besteht aus zwei isolierenden 5 mm dicken Neoprenschichten

und einer dazwischen angeordneten hochomigen Verbindungslage. Es handelt sich

dabei um eine Folie, die im Handel u.A. als Velostat veräußert wird und als Verpa-

ckung empfindlicher elektronischer Bauteile zum Schutz gegen Beschädigung durch

elektrostatische Entladung dient. Durch Krafteinwirkung verringert sich der elektrische

Widerstand der Folie und ermöglicht einen verstärkten Stromfluss zwischen den leitfä-

higen Garnen. In das Neopren sind, einem Muster folgend, partiell an der Oberfläche

17Hannah Perner-Wilson, mit einem Bachelor Abschluss in Industrial Design der Art University of Linz,Österreich, schafft überraschende Objekte und Installationen durch die Anwendung von electronic textilesund Sensoren.


liegende Stiche aus leitfähigem Garn als Sensorpunkte eingestickt. Sie liegen auf den

Innenseiten und stellen bei Krafteinwirkung ein leitfähiges Sensorkreuz dar. Zur besse-

ren Kontaktierung wurde das leitfähige Garn an den Sensoranschlüssen mit leitfähigem

Textil verbunden. Der Sensordaten werden durch analoge Eingänge auf Seite B von ei-

nem Arduino Microcontroller ausgelesen. Seite A wird über den Microcontroller geerdet.

Abbildung 28: Aufbau der Plusea Matrix (Quelle: http://www.flickr.com)

29.1: Plusea Prototyp 29.2: Anschluss an den Arduino

Abbildung 29: Kraftsensor mit Kontaktierung und Steuerung, Quelle: Instructables,Pressure-Sensor-Matrix by Plusea, http://www.instructables.com/id/Pressure-Sensor-Matrix/step6/Pull-up-resistors

6.2.1 Muster 1: Sensor-Matrix nach Plusea

Das erste Muster einer Vier-Punkt-Matrix entstand nach vorausgehend be-

schriebenem Aufbau und wurde aus einem 1,5 mm starkem Schurwoll-

Loden gefertigt. Die Schurwoll-Sensor-Matrix besitzt die Maße 120 mm x


100 mm (Breite x Länge). Es wurde ein größeres Maß gewählt als das von

Plusea genutzte, da so der Fertigungsprozess vereinfacht werden konnte.

Abbildung 30: Sensor-Matrix nach

Plusea

Als Sensorfaden konnten sowohlMatrixinem Nm

42,6/ 4 weich gedrehtem Zwirn (Multifilamentgar-

ne) sowie einem Nm 20/ 2 hart gedrehtem Zwei-

fachzwirn (einstufig) gute Ergebnisse erzielt wer-

den (Siehe Anhang A.4). Die elektrische Oberflä-

chenleitfähigkeit ist in beiden Fällen annähernd

gleich (Vgl. Kap. 5.3), durch die harte Verdre-

hung der Garne besitzt der Zweifachzwirn jedoch

eine größere Robustheit und eine geringere Affi-

nität zum Spleißen der Filamente. Dadurch kön-

nen beim Übersteppen mit einem im Zick-Zack

verlaufenden Sicherungsfaden die Multifilament-

bündel sicherer umschlossen werden und ein enges nebeneinander Liegen von paralle-

len Leitungen wird möglich. Die Verarbeitung des Zwirns (hart gedreht) ist somit einfa-

cher und führt zu einem langlebigeren Ergebnis. Aus diesem Grund wurde selbiger als

Sensorfaden gewählt.

Die Suche nach einem geeigneten hochohmigen Zwischenlagenmaterial gestalte-

te sich schwierig, wurde aber durch den Fund und Gebrauch einer anti-static

Velostat R©Schutzverpackung für elektronische Bauteile von Erfolg gekrönt. Es handelt

sich um eine schwarze, blickdichte, Karbon imprägnierte Polyofin Folie mit einem elek-

trischen Oberflächenwiderstand von 36Ω gemessen bei 20 C und 37% rel. Luftfeuchte.

Anders als die Angaben des Herstellers reagierte die Folie auf Feuchte- und Hitzeein-

wirkung mit dem Verlust ihrer Leitfähigkeit (siehe Kap. 5.3).

Mit dem Velostat als Zwischenlage des Schurwollloden-Musters ließen sich stärkere und

geringere Belastung sensorisch detektieren. Bei den ermittelten Werten handelt es sich

um einheitslose Messwerte, die die gemessene Widerstandsänderung durch Belastung

aufzeigen. Die folgende Tabelle 14 zeigt zusammengefasst die Reaktion des Sensors

bei Belastung durch 12 kPa, 24 kPa und 36 kPa. Der Belastungszeitraum betrug jeweils 2

min. Nach Ablauf dieses Zeitraums pendelt der Wert um±2. Die detaillierten Messwerte

sind dem Anhang A.7, Tabelle 29.

Bewertung:

• Es können unterschiedliche Belastungen identifiziert werden

• Je stärker die Belastung, desto geringer sind die Messwerte

• Die Messwerte streuen sehr stark


Tabelle 14: Belastungsstufen eines resistiven Kraftsensorpunktes

• Je länger die Messzeit, desto geringer ist die Streuung

• Aufgrund der großen Streuung, lassen sich nur größere Gewichtsunterschiede (12

und 36 kPa) eindeutig unterscheiden. Die Mittlere Belastungsstufe (24 kPa) fällt

z.B. sowohl in den Bereich von 12 kPa als auch in den von 36 kPa

Auch mit einem Sensor-Muster aus 4 mm dickem Neoprenstoff konnten verschiedene

Belastungen detektiert werden.


Es handelt sich bei der Pressure-Sensor-Matrix um einen konstruktionell einfachen Auf-

bau, der sich jedoch industriell nicht fertigen lässt, da die Sensorpunkte von Hand ge-

stickt sind und die Stiche im isolierten Bereich innerhalb der Lage ausgeführt werden

müssen. Dies stellte vor allem bei der geringen Materialdicke des Schurwoll-Loden-

Musters eine Herausforderung dar, denn ein Durchstechen auf der Innenseite erzeugt

eine weitere Kontaktstelle und ein Durchstechen auf der Außenseite eine unsaubere

Optik.

Darüber hinaus ist die Verarbeitung der nicht textilen Folie mit verschiedenen Nachteilen

verbunden:

• Folie ist empfindlich gegenüber Feuchte und Hitze, sodass kein Bügelprozess

möglich ist

• Sensorkissen ist nicht waschbar


• Bei Feuchte- oder Hitzeeinwirkung Verlust der elektrischen Oberflächenleitfähig-

keit und Funktion als Sensor

• Verminderung der Wasserdampfdurchlässigkeit (Atmungsaktivität) und dadurch

Einschränkung des Sitzkomforts

• Empfindlich gegenüber Zugkräften als textile Flächengebilde, daher geringere Ro-

bustheit

• Empfindlich gegenüber Druckkräften und Gefahr des Durchscheuerns

Zur Verbesserung der aufgetretenen kritischen Eigenschaften erfolgte die Anfertigung

eines weiteren Musters.

6.2.2 Muster 2: Verarbeitungsvarianten der Sensorfäden

Der Entwicklung eines zweiten Musters lag die Überlegung zu Grunde, die Sensorfäden

auf das Trägermaterial zu applizieren, um so eine industrielle Fertigung zu ermöglichen.

Des Weiteren sollte anstelle der Folie ein textiles Material mit gleicher elektrischer

Oberflächenleitfähigkeit als Zwischenlage verwendet werden. Es folgte die Prüfung

nachfolgender Materialien, die jedoch entweder einen zu geringen elektrischen Ober-

flächenwiderstands aufwiesen oder über die Oberfläche nicht kontaktierbar waren. Im

erstgenannten Fall fließt bei Krafteinwirkung sofort Strom zwischen den leitfähigen

Sensorgarnen und den Außenschichten. Das Resultat ist ein „An-Aus-Schalter“ dar, kein

Kraftsensor. Ein Vliesstoff (Vgl. Kap. 4.2) mit einem elektrischen Oberflächenwiderstand

von 1,3 kΩ25cm2 fiel in diese Kategorie. Der Test mit leitfähiger Halbzwirnware (Vgl. Kap.

4.2) (ESD-Material) führte nicht zum gewünschten Ergebnis, da das Material über die

Oberfläche nicht kontaktierbar war. Selbiges wurde in Anlehnung an den in Kapitel

3.2.5 beschriebene textile Sensoranzug ausgewählt, da hier mit einem ähnlichen ESD-

Material ein positives Ergebnis erreicht wurde.

Weitere Entwicklungen sollten daher die Anwendung der Folie verbessern. Um die

Sensorschwachstelle, die durch den Gebrauch der Folie entsteht, so klein wie möglich

zu gestalten, wurde diese anstelle einer kompletten Lage nur im Bereich des Sen-

sorpunktes in ein anderes Material eingearbeitet. Durch den partiellen Einsatz entfiel

die Notwendigkeit, den Sensorfaden händisch von einem zum nächsten Sensorpunkt

innerhalb der Lage zu führen, da nur am konkreten Sensorpunkt ein Kontakt entstehen

konnte. Der Verzicht dieses manuellen Arbeitsschrittes ermöglicht eine industrielle Ferti-

gung. Es entstand ein aus Schurwollloden gefertigtes Musterfragment, welches 10 mm x

10 mm sowie 20 mm x 20 mm große Ausschnitte enthält. Hinter diese Ausschnitte wurde


mit einem Doppelsteppstich mit 4 Stichen pro Zentimeter Folie aufgesteppt. Durch die

Veredlung der Schurwolle (Filzen und Rauen) wird ein Herauslösen von Schuss- oder

Kettfäden aus dem Gewebe verhindert und eine offenkantige Verarbeitung im Bereich

der Aussparungen war möglich.

Es wurde ebenfalls geprüft, wie sich die Folie beim Aufsticken mit einem Zick-Zack-Stich

verhält. Hierbei wurde deutlich, dass keine stabilere Verbindung zwischen Oberstoff und

Folie erzielt werden konnte. Stattdessen setzte ein Nahtreißen der Folie bei geringerer

Kraftausübung ein.

Für die Applikation des Sensorfadens auf den Außenlagen erwies sich die Methode des

Übersteppens mit einem Zick-Zack-Stich ausgeführt auf einer Dürkopp Adler Zick-Zack-

Maschine als adäquat.

Abbildung 31: Gestickte Sensorfä-

den mit Velostat-Zwischenlage

Das beste Ergebnis ließ sich mit den Einstel-

lungen 3 (Stichbreite) sowie 1,5 (Stichabstand)

erzielen, hierbei sind sowohl der Sensorkontakt

als auch der Schutz des leitfähigen Fadens op-

timal. Der Zwirn wird in einer Zuführeinrichtung

des Stoffdrückerfußes gehalten. Um zu testen,

in welcher Form der Sensorfaden für einen op-

timalen Kontakt am Sensorpunkt appliziert wer-

den muss, wurden drei verschiedene Ausführun-

gen gefertigt, wobei Ausführung 1 die geringste,

Ausführung 3 die größte Kontaktfläche herstellt:

1. Einfacher Faden durchgängig aufgesteppt

2. Einfacher Faden mit Aussparung der Steppnaht am Sensorpunkt

3. Faden als Kreuz gelegt und außerhalb des Sensorpunktes aufgesteppt

Die Komplexität der Fertigung von Ausführung 1 bis Ausführung 3 nimmt zu. Bei Ausfüh-

rung 2 und 3 sind innerhalb des Musters Anfangs- und Endverriegelung sowie erneutes

exaktes Platzieren der Nadel erforderlich, was den Fertigungsablauf schwieriger ge-

staltet. Bei Ausführung 1 ist eine durchgängige Applikation des Sensorfadens möglich.

Mit allen Ausführungen ließ sich ein guter Kontakt herstellen, bei Ausführung 1 tritt

dieser jedoch progressiver ein und führt zum besten sensorischen Ergebnis, wie die

Tests zeigten. Zudem ist diese Verarbeitungsart ist am einfachsten zu fertigen. Die

zusammengefassten Ergebnisse der Messreihe mit dem beschriebenen Aufbau zeigt


die folgende Tabelle 15, die einzelnen Messwerte sind dem Anhang A.7 zu entnehmen.

Der Belastungszeitraum betrug jeweils 2 min. Nach Ablauf dieses Zeitraums pendelt der

Wert um ±2.

Tabelle 15: Ergebnisse bei unterschiedlichen Belastungsstufen

Bewertung:



• Die Messwerte streuen mit 7-10 % deutlich geringer als beim vorhergehenden

Muster mit einer relativen Standardabweichung von 13-25 % (siehe Kapitel 6.2.1)

• Da sich die einzelnen Messbereiche nicht überschneiden, lassen sich die Belas-

tungsstufen ( 12 kPa, 24 kPa, 36 kPa) eindeutig identifizieren


Eine Schwachstelle ergab sich aus der quadratischen Form der Folie in der Zwischen-

lage. Die Ecken sind verstärkt Zugkräften ausgesetzt und damit besonders reißanfällig.

Es ist empfehlenswert, mit einer Stanze kreisförmige Ausschnitte in der Zwischenlage

zu erzeugen. Zudem besitzt der als Zwischenlage verwendete Wollstoff einen hohen

Materialpreis und eine größere Materialdicke und sollte durch ein Material, bei dem

eine offenkantige Verarbeitung möglich ist, ersetzt werden. Des Weiteren kann auf eine

durchgehende Zwischenlage verzichtet werden. Stattdessen bietet sich eine partielle

Ausführung im Bereich der Sensorpunkte und die Verbindung mit einer der äußeren


Lagen durch Steppnähte an.

An der Verarbeitungsvariante der aufgestickten Folie mit Zick-Zack-Stich zeigt sich,

dass, je mehr Einstichlöcher entstehen, die Stabilität der Fläche abnimmt und der

Ausreißprozess an der Naht beschleunigt wird. Wird die Naht mit einfachem Doppel-

steppstich ausgeführt, ist es zweckmäßig, auf den Anfangsriegel zu verzichten und

die Naht mit einer Verriegelung zu beenden. Der Nahtanfang wird dabei durch eine

Überschneidung von 2 Stichen durch das Ende der Naht gesichert.

6.3 Resistiver Sensor 2

Als Entwicklungsbasis der Sensorkonstruktion diente das unter dem Projektnamen Seat-

Sen im Oktober 2007 gestartete Forschungsvorhaben 16SV3457 (VDI/VDE Innovation

+ Technik GmbH, 2009a). Hierbei wurde eine resistiv wirkende Sensormatte aus leitfä-

higen Fäden, in einer mäanderförmigen Struktur aufgestickt, entwickelt. Bei eintretender

Belastung erfolgt die sensorische Auswertung einer elektrischen Widerstandsänderung,

hervorgerufen durch die Längenänderung des elektrisch leitfähigen Fadens (Vgl. Kap.

4.2).

6.3.1 Muster 1: Applizierte Mäanderform mit Zwischenlage

Als ein erstes Muster entstand eine mäanderförmige Sensorfadenstickerei, die in Abbil-

dung 32.1 dargestellt wird. Diese sieht vor, auf kleinstem Platz eine ausreichend große

Fadenmenge zu verarbeiten, sodass ein gutes sensorisches Ergebnis erzielt wird. Hier-

bei zeigt sich als begrenzender Faktor der erforderliche Abstand zwischen den Fäden

zur Vermeidung von Kurzschlüssen.

32.1: Stickvorlage und fertige Stickerei 32.2: Mäanderförmige Stickerei mit Zwischenlage

Abbildung 32: Mäanderförmige Stickerei


Für das Muster wurde der leitfähige Zwirn18, mit einem Zick-Zack-Stich aufgestickt, ver-

wendet. Dieser eignete sich auf Grund des geringeren elektrischen Widerstands besser

als dünnere Fäden für die Sensorstickerei. Als Nachteil erwies sich der notwendigerwei-

se größere Abstand (3 mm) zwischen den Fäden zur Vermeidung von Kurzschlüssen.

Da der Zwirn nicht isoliert ist, musste zwischen die senkrecht und horizontal verlaufen-

den Fadenschleifen eine Zwischenschicht gelegt werden um einen abgekürzten Strom-

fluss am ersten Kreuzungspunkt von Musteranfang und Musterende zu vermeiden. Mit

diesem in Abbildung 32.2 gezeigten Aufbau konnten erfolgreich unterschiedliche Belas-

tungsstufen detektiert werden. Durch die zusätzliche Lage wird das Material am Sensor-

punkt versteift und erhält eine sehr feste Haptik.


Die zusätzliche Lage zwischen den Fadenschleifen sowie die sich kreuzenden Faden-

schleifen bewirken eine Dickstelle am Sensorpunkt. Da die Verarbeitung zudem eine

sehr exakte Handhabung der Isolierung sowie der Fadenschleifen voraussetzt, besteht

bei diesem Muster Optimierungspotenzial.

6.3.2 Muster 2: Applizierte Spiralform

Resultierend aus den in Kapitel 6.3.1 geschilderten Testergebnissen erfolgte die

Fertigung eines weiteren Musters mit einer ein- und auslaufenden Spiralform.

Abbildung 33: Gestickte Spiralform

Hierüber ließ sich ebenfalls auf geringem Raum

ein großer Fadenvorrat verarbeiten.

Angepasst an die verwendete Elektronik, die auf

einen elektrischen Widerstand von 100 Ω aus-

gerichtet ist, entstand die in Abbildung 33 darge-

stellte Spirale mit den Maßen von 40 mm Breite

x 130 mm Länge. Der Abstand der Fäden betrug

3 mm.

Nach dem Anschluss der Elektronik (Wheatsto-

nesche Brücke, siehe Kap. 4.3) konnte festgestellt werden, dass der Sensor sehr sensi-

bel auf unterschiedliche Belastungsstufen reagierte.


Es handelt sich bei diesem Muster um ein sehr einfach zu fertigendes Sensorprinzip. Bei

der Ausübung der Fadenapplikation mit einem Stickautomaten ist dieser Sensor auch

18Vgl. Mappenanlage


industriell sehr gut umsetzbar. Es ist zu prüfen, wie die elektrischen Widerstände der

Wheatstoneschen Messbrücke in den Kissenbezug integriert werden können.

6.4 Anschlüsse und Leiterbahnen

Die Stromzufuhr bis zu den Sensorkissen erfolgt über Flachbandkabel und einadrige

Litzen. Anschlüsse und Leiterbahnen sollten weitestgehend textil gefertigt werden. Aus

diesem Grund wird die Stromzufuhr im Kissen mit einem applizierten leitfähigen Zwirn

umgesetzt. Der selbst gestellten Anforderung entsprechend, die Sensorbezüge einem

Waschvorgang unterziehen zu können, mussten im Kissen verarbeitete Elektronik und

nicht textile Stromzuführungen abnehmbar sein. Die in der Elektrotechnik übliche Fü-

getechnik des Lötens konnte bezüglich des leitfähigen Zwirns nicht angewandt werden,

da der Lötprozess zum Schmelzen des Fadens führte. Aus diesem Grund musste eine

alternative Verarbeitung gefunden werden.

6.4.1 Metalldruckknöpfe

Ein erster Ansatz bestand darin, über einen metallischen Niet-Druckknopf mit einem

Durchmesser von 13 mm eine Anschlussstelle von textiler Leiterbahn und Kabel zu

schaffen. Das Druckknopf-System besitzt den Vorteil, durch ein einfaches und dauerhaft

funktionelles Öffnen und Schließen eine sehr stabile Verbindung von zwei Elementen zu

schaffen.

Für die Verbindung wurden der Kopf des Druckknopfes mit dem abisolierten Teil eines

Kabels und das entsprechende vertiefte Gegenstück des Druckknopfes mit der textilen

Fläche verbunden. Die textile Fläche bestand aus Köper (2/1) sowie einer auf das Dobby

applizierten textilen Leiterbahn. Im Fall des Dobbys wurde im Bereich des Druckknopfes

zusätzlich ein mit einer schmalen Überwendlichnaht umstochenes 9 cm2 großes Qua-

drat aus Köper (2/1), welches mit der Leiterbahn verbunden ist, aufgeklebt. Dies sollte

den Kontakt verbessern. Anschließend erfolgte bei beiden Materialien der Nietvorgang.

Es zeigte sich, dass die Kabellitzen nach wiederholtem Hin-und-Her-bewegen am Über-

gang der Isolierung zum Druckknopfknopf brachen. Dieser Bereich ist verstärkt Zugkräf-

ten ausgesetzt und stellt eine Schwachstelle dar.


Mit beiden Materialien konnte eine gute elektrische Verbindung sowie ein fester Halt im

Material erzeugt werden. Eine Problemstelle ergibt sich aus dem Übergang vom Druck-

knopf zum Kabel. Da die Verbindung mit den verwendeten Litzen von geringer Langle-

bigkeit ist, wird von einer Verwendung abzuraten.


6.4.2 Crimpen

In einem zweiten Ansatz wurde eine Crimpverbindung getestet. Sie sollte den Übergang

vom Faden der textilen Leiterbahn zu Elektronik und Kabel schaffen. Die Crimpver-

bindung stellt eine homogene, schwer lösbare Verbindung zwischen Leiter (textiles

Garn/Kabel) und Verbindungselement (Stecker) her und erzeugt i.A. eine gute elektri-

sche Verbindung, die nur bedingt lösbar ist.

Das mehrmals am Ende geknotete Fadenende der textilen Leiterbahn (Zwirn, hart

gedreht)(Vgl. Kap. 4.2) wurde mit einer Metallcrimpe mit 3 mm Durchmesser der Firma

Conrad Elektronic gecrimpt und die Crimpe mit einem Stecker verbunden. Es folgte

die Verlötung der Pins des Steckers mit den Litzen. Ein Problem ergab sich aus dem

scharfkantigen Ende der Crimpe, das bei Hin- und Herbewegungen des Zwirns zum

Fadenbruch führte. Um dies zu vermeiden, erfolgte die Durchführung des Fadenendes

durch eine Aderendhülse und die anschließende Befestigung in der Crimpe.

Abbildung 34: Gecrimpter Anschluss und Übergang zum Sensor

Der Kunststoff der Aderendhülsen verhinderte einen Fadenbruch und schaffte zudem

Abstand zwischen dem Ende der Leiterbahnen zum Anfang des Steckers. Trotzdem

stellte die Ausführung der Steppnaht bis zu den Aderendhülsen ein Problem dar, und

ein Restabstand verblieb. Mit diesem Verfahren ließ sich erfolgreich eine Platz sparen-

de, verpolungssichere Verbindung mit einem guten elektrischen Kontakt schaffen, die

das Abtrennen der Elektronik ermöglicht.



Da die applizierten Leiterbahnen im Bereich des Steckers sehr dicht beieinander liegen,

besteht Kurzschlussgefahr. Durch Bewegungen im Textil verschieben sich die Fäden,

und da der Stecker auf dem Textil fest platziert ist, kommt es zu Fadenschlaufen vor

der Anschlussstelle. Zudem gestaltete sich das crimpen als ein sehr zeitintensiver Ar-

beitsschritt, der durch die händische Fertigung zu Ungenauigkeit führt. Auf Grund der

genannten Nachteile ist diese Methode ungeeignet.

6.4.3 Leitfähige Klettverschlussverbindung

In einem weiteren Ansatz wurde der Anschluss mit leitfähigem Klett (Vgl. Kap. 4.2)

getestet. Klettverschluss besitzt den Vorteil, eine fast beliebig oft zu öffnende und zu

schließende Verbindung herzustellen. Flausch- und Hakenband bestehen aus Nylon mit

eingewobenen Metallfäden und haben einen sehr geringen Oberflächenwiderstand von

0,9 Ω25cm2 . Für die Anschlüsse wurde der Klettverschluss in 12,5 mm breite und 30 mm

lange Streifen geschnitten und das Flauschband als Nahtende der textilen Leiterbahn

wie auf Abbildung dargestellt auf das Baumwollgewebe appliziert. Die Anschlussstellen

hatten einen Abstand von 7 mm.

Abbildung 35: Anschlusselement mit Klettver-

schluss und Sensor

Auf das Hakenband wurde mit leit-

fähigem Zwirn das abisolierte Ende

der Litze mit dem Zick-Zack-Stich und

dem Stoffdrückerfuß mit Zuführeinrich-

tung aufgesteppt, indem das Klettele-

ment senkrecht halbiert und anschlie-

ßend dicht an der Außenkante umrundet

wurde.

Diese Verbindungstechnik ergab einen

sehr guten Kontakt. Es ist darauf zu ach-

ten, dass Flausch und Haken fest auf-

einander gedrückt sind. Ein Fehlkontakt

entstand durch abstehende Filamente

aus dem Flausch und Berührung selbi-

ger mit der angrenzenden Kontaktstelle.


Die Verbindung von Leiterbahn und Kontaktstelle ist durchgängig und in einem schnellen

Arbeitsprozess umsetzbar. Darüber hinaus handelt es sich um eine Verbindung aus Tex-


til, die flach ausfällt, abnehmbar ist und verpolungssicher gestaltet werden kann. Dies

ist realisierbar, wenn der Flausch halb so breit ist wie der Haken und die Haken zuein-

ander einen geringeren Abstand besitzen als ihre eigene Breite. So ließen sich auch

Fehlkontakte vermeiden. Da zur Gewährleistung eines sicheren Kontakts von Flausch

und Haken der Klettverschluss nicht beliebig klein gestaltet werden kann, ist eine grö-

ßere Fläche notwendig. Hier entsteht bei vielen Kontaktstellen ein großer Platzbedarf,

der jedoch im Falle des Kissens keine weiteren Probleme erzeugte. Zudem ist die Ver-

bindung Flausch und Haken schon mit mäßig großer Kraftaufbringung trennbar, da sie

durch das Kissen- und Sitzgewicht jedoch aneinander gedrückt werden ist ein zufälliger

Trennvorgang unwahrscheinlich. Um die Verbindung von Flausch und Haken zu verbes-

sern, ist es empfehlenswert, das Klettelement nur rundherum aufzusteppen und auf die

mittige Naht zu verzichten.

7 DER PROTOTYP 61

7 Der Prototyp

In diesem Kapitel wird die Fertigung der Prototypen des resistiven Sensorkissenbezugs

nach Wirkungsprinzip 1 sowie die des kapazititven Sensorkissenbezugs dargestellt. Ein

Schwerpunkt der Prototypenentwicklung lag dabei auf der Anordnung von Anschlüs-

sen und Leiterbahnen. Die Umsetzung bauen auf die Erkenntnissen der in Kapitel 6

getesteten Musterentwicklungen auf und sollen zeigen, wie sich die mit Erfolg getes-

teten Technologien in realer Umgebung verhalten. Dafür wurde beispielhaft für jede

Sensortechnologie ein Prototyp in Originalgröße als Kissenbezug gefertigt. Der resistive

Sensor 1 wurde als Kissenbezug eines Rückenkissens gefertigt. Wie Tabelle 16 zeigt,

soll hierdurch detektiert werden, wie groß das Gewicht der Person auf dem Sofa ist,

wo sie auf dem Sofa sitzt und wann sie sich setzt oder aufsteht. Der kapazitive Sensor

wurde in ein Rückenkissen integriert, da sich dadurch ein Annähern und Entfernen an

die Rückenlehne sowie ergänzend zum resistiven Sensor die exakte Position der Person

auf dem Kissen und ein Hinsetzen und Aufstehen detektieren lässt.

Tabelle 16: Anforderungen an den Prototypen

7.1 Kapazitiver Sensor

Das kapazitive Sensorwirkungsprinzip ist für die Integration im Rückenkissen vorgese-

hen, da die Annäherung eines Objektes, nicht jedoch deren Gewicht ermittelbar ist. Wie

sich aus den Ergebnissen der voran gestellten Kapitel 6.1.2 und 6.1.3 ableiten lässt,

sind zum Erreichen eines guten sensorischen Ergebnisses zwei rechteckige Elektroden

auf der Innenseite des Kissenrückens geeignet.

Für die Schnitteile wurden die Maße von den Kissenpolstern abgenommen und ein

Schnittbild erstellt. Es besteht aus 15 Schnittteilen, die Bemaßung enthält eine Nahtzu-

7 DER PROTOTYP 62

Abbildung 36: Konstruktion des kapazitiven Sensors

gabe von 10 mm an allen Schnittkanten.

Fertigung: Vordere Elektrode und Schirmung

Die Verarbeitung der vorderen Elektrode basiert auf den Ergebnissen aus Kapitel 6.1.5,

worin gezeigt wurde, dass sich Elektrode und Schirmung zur vollständigen Schirmung

der inneren Elektroden überlappen müssen. Für diese Überlappung wurden vier 45 mm

breite Streifen mit im 45 zur Innenseite zulaufenden Enden, zwei in der Breite des Kis-

sens (940 mm) und zwei mit der Höhe (400 mm) des Kissens aus Köper 2/1, zugeschnit-

ten. Je zwei Streifen bildeten eine Ecke, sodass ein Rechteck entstand. Als Isolierung

diente ein weiteres Rechteck aus Dobby mit denselben Innenmaßen, aber 2 mm breiter.

Diese beiden „Rahmen“ wurden an den Innenkanten rechts auf rechts verstürzt und

auf Paspel gebügelt, sodass der Dobby 2 mm vorpaspelt. Auf diesen Rahmen wurde

die Elektrode mit einer eingeschlagenen Nahtzugabe von 10 mm aufgesteppt, die Wa-

renunterseite (WU) der Elektrode liegt dabei auf der Warenoberseite (WO) des Dobbys

(Schirmungsrahmen). Sie überlappt den Rahmen um 15 mm. Die nun aus dem Schir-

mungsrahmen sowie der Elektrode bestehende Vorderseite wird rechts auf rechts in das

Kissen eingestürzt.

Fertigung: Innere Elektroden

Die Fertigung der inneren Elektroden erfolgte wie in Kapitel 6.1.5 geschildert. Eine

Drittelung der Gesamtrückenfläche ergab die Position der Elektroden. Diese haben die

Maße von 90 mm Breite x 340 mm Höhe, die Isolierung die Maße von 140 mm Breite x

7 DER PROTOTYP 63

360 mm Höhe, der Guard die Maße von 100 mm Breite x 350 mm Höhe. Die gewählte

Elektrodenbreiteermöglicht einen Abstand von < 300 mm, sodass wie in Kapitel 6.1.2

geschildert ein Überspringen des kapazitiven Feldes unterbunden wird. Da sich heraus-

lösende Fäden an Schnittkanten des Köper (2/1) als Störquelle erwiesen, wurden diese

mit einer schmalen Überwendlichnaht gesichert. Durch die Verwendung der Überwend-

lichnaht ließen sich Dickstellen vermeiden, wie sie bei einem herkömmlichen Verfahren

der Kantensicherung durch den Einschlag der Nahtzugabe entstehen.

Abbildung 37: Innere Elektrode mit Klettverbindungen und Leiterbahnen

Anschlüsse und Leiterbahnen

Anschlüsse und Leiterbahnen wurden wie in Kapitel 6.4 erläutert mit leitfähigem Klett-

verschluss sowie leitfähigem Zwirn realisiert. Für den Anschluss der inneren Elektroden

ist ein komplexer Anschlussaufbau erforderlich. Hierfür wird bei den Elektroden ein Sen-

sor angeschlossen, der den Messwert erfasst. Vier Leiterbahnen übertragen die Sens-

ordaten an ein vieradriges Flachbandkabel, wobei zwei Adern für die Stromversorgung

des Sensors zuständig sind (plus und minus), die anderen beiden für den Datentransport

(Datenzu- und Abführung). Am Kissenrand befindet sich die Schnittstelle von Leiterbah-

nen und Kabeln, welche die Sensorwerte an das CapSense-Toolkit weiterleiten. Hier

erfolgen die Bündelung der Informationen mehrerer Sensoren und die Umwandlung des

Wechselstroms in Gleichstrom. Die von Oliver Dreschke entwickelte Software empfängt

die sensorischen Messwerte, wertet sie aus und stellt sie in Form einer graphischen

Kennlinie dar.

7 DER PROTOTYP 64

Jeweils der Übergang einer textilen Fläche oder einer Leiterbahn zur Elektronik wur-

de mit Klettverschluss geschaffen. Dabei wurde jeweils die elektronische Komponente

mit dem Hakenband, die textile Komponente mit dem Flauschteil des Klettverschlusses

verbunden. Auf jede Elektrode wurde das Klettelement (Flausch) mit leitfähigem Zwirn

waagerecht auf die Warenoberseite aufgesteppt, jeder Guard erhielt ein senkrecht auf-

gestepptes Klettelement auf der Warenunterseite. Auf das entsprechende Hakenband-

Pondont wurden die abisolierten Litzen des Kabels aufgesteppt. Da diese nicht ge-

schirmt und somit sensorisch wirksam sind, muss die Platzierung der Flauschelemente

den kürzesten Weg von der Elektrode zum Sensor ermöglichen. Die Kabel von Elektrode

und Guard wurden auf die entsprechenden Kontaktflächen des Sensors gelötet und die

restlichen Sensorpins ebenfalls mit je einem Kabel verlötet, die wiederum auf je einem

Hakenband aufgesteppt sind. Da der Sensor im Falle eines Waschvorgangs abgelöst

werden muss, wurde die Einheit aus Sensor und Anschlüssen auf ein separates Recht-

eck aus Dobby mit einem Abstand von 7 mm aufgesteppt.

Entsprechend der Vierergruppe der Hakenbänder wurden Flauschbänder auf die Kis-

senrückwand mit leitfähigem Garn aufgesteppt und die Leiterbahn bis zum Kissenrand

weitergeführt, wo sie in weiteren Flauschelementen endeten. Vier entsprechende Ha-

kenelemente schafften den Übergang zu den Kabeln.

Auch der Anschluss der vorderen Elektrode sowie der Schirmung erfolgte mit je einem

Klettelement. Der Testversuch zeigte bei Annäherung und Berührung erfolgreich die er-

wartete Reaktion (siehe Kapazitätsprüfung Köper 2/1, Kapitel 5.4).

Darstellung und Messwerte

Beim Praxistest mit dem im Sofa integrierten Sensorkissenbezug konnte eindeutig zwi-

schen einer menschlichen Annäherung an die rechte oder linke innere Elektrode unter-

schieden werden. Die folgenden Ergebnisse, siehe Abbildung 38.1, zeigen eine Annä-

herung an die rechte Elektrode. Die Sensordaten wurden dabei vom CapSense-Toolkit

ausgewertet:

• Rechte Elektrode ist aktiviert

• Reaktion ab ca 40 cm

• Linke Elektrode reagiert kaum

Die vordere Elektrode, angeschlossen an den Sensor aus der Sicherheitstechnik, rea-

gierte ab ca. 90 cm Abstand. Der in Abbildung 38.2 gezeigte Graph stellt dies dar.

7 DER PROTOTYP 65

38.1: Innere Elektrode 38.2: Vordere Elektrode

Abbildung 38: Graphische Darstellung der Sensorreaktion

7.2 Resistiver Sensor 1

Der Prototyp des resistiven Sensors wurde für das mittlere Sitzkissen gefertigt. Die

Sensoren befinden sich auf dem Boden der Kissenhülle. Dies hat den Vorteil, dass

erforderliche Dickstellen durch Leiterbahnen und Anschlüsse nicht im unmittelbaren

Kontakt mit dem Anwender stehen. Die Kissenhülle besteht, wie Abbildung 39 zeigt,

aus 6 Schnittteilen, deren Maße der Kissenfüllung entnommen wurden.

Abbildung 39: Schnittbild des Sitzkissens

Für eine gute Detektierung erwies sich

eine Matrix mit sechzehn Sensorpunk-

ten, bestehend aus acht Sensoren, als

geeignet. Sie haben einen Abstand von

185 mm in der Breite und einen Ab-

stand von 145 mm in der Tiefe und vier-

teilen die rechteckige Sitzfläche. Wie in

Kapitel 6.2.2 geschildert besteht der

Sensor aus drei Lagen. Für die äuße-

ren Lagen wurde der Dobby gewählt,

die mittlere Lage ist aus einem mit ei-

ner PES Membran beschichteten Nylon

Ripstopgewebe (Vgl. Kap. 4.2) gefer-

tigt. Durch die Membran wird das Her-

auslösen von Schuss- oder Kettfäden an

den kreisförmigen Ausstanzungen un-

terbunden und auf die Sicherung der

Schnittkanten kann verzichtet werden.

Da es sich in den Vorversuchen als

zweckmäßig erwies, die Zwischenlage

7 DER PROTOTYP 66

streifenförmig zu fertigen, wurden vier Streifen mit einer Breite von 95 mm und einer

Länge von 650 mm zugeschnitten, in welche entsprechend der Sensorpunkabstände

kreisförmige Ausschnitte mit 25 mm Durchmesser ausgeschnitten wurden. Wie Abbil-

dung 40 zeigt, erfolgte die knappkantige Aufbringung der Velostat Elemente auf die Wa-

renunterseite (35 mm Durchmesser) mit einem Dürkopp Adler Industienäher und Dop-

pelsteppstich (4 Stichen pro cm).

Um zusätzliche Einstiche zu vermeiden, wurde die Naht ohne Anfangs- aber mit End-

verriegelung ausgeführt. Anschließend wurden die Streifen mit einer eingeschlagenen

Nahtzugabe von 10 mm auf die Außenlage gesteppt, sodass die Leiterbahn auf der Au-

ßenlage die Sensorpunkte mittig schneidet.

Abbildung 40: Aufgesteppte Sensor-

punkte (Warenunterseite)

Anschlüsse und Leiterbahnen

Die Fertigung der Anschlüsse und Leiterbahnen

erfolgt wie in Kapitel 6.4 geschildert mit leitfä-

higem Klett und leitfähigem Zwirn. Auf der Au-

ßenlage verläuft die geerdete Leiterbahn (Minus-

pol) senkrecht. Für den Anschluss der Leiterbahn

am Kissenrand wurde ein quadratisches Klettele-

ment auf den Dobby aufgesteppt.

Auf die zweite Außenlage wurden horizon-

tal verlaufend Leiterbahnen für den Pluspol

aufgestickt. Sie laufen zum rechten Kissen-

rand und enden in je einem Flauschelement.

Durch diesen Aufbau wird an jedem Sensorpunkt ein Leiterbahnenkreuz gebildet, wel-

ches bei Krafteinwirkung über die Velostatschicht einen elektrischen Stromfluss vom

Pluspol zum Minuspol ermöglicht. Wie Abbildung 41 zeigt, bildete je eine horizontale

Sensorreihe eine Vierer-Anschlussgruppe. Da sich das Ende des Kissenreißverschlus-

ses in einem Abstand von 100 mm vom Kissenrand in der rechten hinteren Ecke befand,

mussten die Anschlussstellen ebenfalls einen Abstand von 100 mm haben, sodass das

Anschlusskabel mit geradem Verlauf aus dem Kissen geführt werden kann. Dies war

wichtig, da das Flachbandkabel nicht seitlich gebogen werden konnte.

Um eine praktikable Einheit von Hakenband und Kabel zu schaffen, wurden die Flach-

bandkabel mit einem separatem Schnittteil verbunden. Dieses bestand aus einem

Rechteck (Basis) mit 170 mm Breite x 550 mm Länge aus Dobby, welches gefaltet und

mit einer Nahtzugabe von 10 mm verstürzt wurde. Bei einem weiteren Rechteck von

70 mm Breite x 550 mm Länge wurden alle Schnittkanten je 10 mm umgebügelt, das

Rechteck links auf links gefaltet und bündig mit den verstürzten Kanten des Basisrecht-

7 DER PROTOTYP 67

ecks knappkantig auf dieses aufgesteppt. In den entstandenen Schlauch wurden zwei

zehnadrige Flachbandkabel zwischen gelegt. Je acht Litzen wurden in entsprechender

Länge abisoliert und aus dem Schlauch rausgeführt, zwischen den Litzen wurde der

Schlauch auf dem Basisrechteck festgeriegelt. Entsprechend den Vierer-Gruppen aus

Flauschband wurden die Hakenbänder, quer zur Schnittkante, auf das Basisrechteck

aufgesteppt, wobei jedes Element mit einer Litze verbunden wurde.

Abbildung 42: Anschlusselement des resistiven Sensors 1

Abbildung 41: Klett-Anschlusselement des

Pluspols

Da das Sensorarray auf Grund der Fo-

lie nicht waschbar ist, ist der gesam-

te Rückenboden des Prototyps abtrenn-

bar. Dies wird über einen Spiralreißver-

schluss aus Kunststoff mit einer Band-

breite von 25 mm und der Spiralbrei-

te von 3 mm realisiert, welcher um

den Boden herum verläuft. Da ein nicht

teilbarer Reißverschluss mit geeigneter

Band- und Schließgliederbreite sowie

einer passenden Farbe zur Verfügung

stand, wurde dieser statt einem Teilba-

ren verwendet. Sollte ein textiles Materi-

al als Ersatz für die Velostat-Folie gefunden werden, so kann auf einen rundum verlau-

fenden, teilbaren Reißverschluss verzichtet werden. Der Reißverschluss besäße dann

lediglich die Funktion, dass Ab- und Aufziehen der Kissenhülle zu ermöglichen.

Messwerte und Darstellung

Im Labor erfolgte eine Messreihendurchführung mit einem Sensorpunkt und unter-

schiedlichen Belastungen. Bei Belastung reagiert der Sensor in exponentieller Form,

wie Tabelle 17 zeigt. Schon bei geringer Belastung (12 kPa) spricht dieser an und

7 DER PROTOTYP 68

der Messwert sinkt von 1010 (Ursprungswert) auf 344 (Belasten). Nach weiteren 2 min

pendelt sich der Messwert bei 309 ± 2 ein. Mit zunehmender Belastung stagniert die

Sensorreaktion.

Tabelle 17: Ergebnisse unterschiedlicher Belastungsstufen des Sensors

Bewertung:



• Die Messwerte streuen mit 4-8 % noch geringer als beim vorhergehenden Muster

mit einer relativen Standardabweichung von 7-10 % (siehe Kapitel 6.2.2)

• Da sich die einzelnen Messbereiche nicht überschneiden, lassen sich die Belas-

tungsstufen (12 kPa, 24 kPa, 36 kPa) auch hier eindeutig identifizieren.

Ergänzend zu den Labormessungen wurde der Sensorkissenprototyp unter realen Be-

dingungen im Sofa getestet. Über das dreidimensionale Sofamodel konnte die Sensor-

reaktion, wie in Abbildung XY bis XY gezeigt, visualisiert werden. Es wird mit folgendem

Farbspektrum gearbeitet:

• grün (keine Belastung)

• gelb (leichte Belastung = 40 kg)

• orange (mittlere Belastung = 60 kg)

• rot (starke Belastung = 85 kg)

7 DER PROTOTYP 69

43.1: Leichte Person sitzt vorne rechts 43.2: Person mit mittlerem Gewicht sitzt hintenlinks

43.3: Schwere Person sitzt hinten links, mittel-schwere Person sitzt vorne rechts

Abbildung 43: Sensorreaktion, visualisiert über das 3D Sofamodell mit unterschiedlichenBelastungen

7.3 Zusammenfassung der Prototypenfertigung

Die Prototypenfertigung eines Rücken- und eines Sitzkissens mit zwei unterschiedlichen

Sensortypen konnte erfolgreich umgesetzt werden.

Ein exemplarischer Ablauf mit der Annäherung einer Person könnte wie folgt aussehen:

1. Detektierung einer Annäherung durch den äußeren Sensor

• Seiten- und Rückenbereich geschirmt, innerer Sensor nicht aktiviert

2. Nach Übertreten eines bestimmten Schwellenwertes Umschalten des vorderen

Sensors auf Schirmung

• Kissen komplett geschirmt

3. Aktivierung des inneren Sensors

• Keine Annäherung mehr detektierbar, aber Veränderung im Kissen über die

Abstandsänderung von Schirmung (Masse) zur inneren Elektrode

4. Person steht auf, Kissen wird vollständig entlastet

7 DER PROTOTYP 70

• Innerer Sensor nach Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes deakti-

viert, vordere Elektrode wird angeschaltet und Annäherung wieder detektier-

bar

Zur Überprüfung der Aktualität der Messwerte von innerem und äußerem Sensor wird

empfohlen, in regelmäßigen Abständen Stichproben durchzuführen.

Die beiden geprüften Sensortypen arbeiten erfolgreich zusammen in einem Sofa. Die

gestellten Anforderungen an die Prototypen wurden, wie Tabelle 18 zeigt, erfüllt.

Tabelle 18: Sensorische Fähigkeiten der Sensortypen

Da die Reichweite der äußeren Elektroden wie in Kapitel 5.4 beschrieben nur 900 mm

beträgt, ist über das Rückenkissen nur eine Annäherung einer sich direkt vor dem Sofa

befindlichen Person erfassbar. Zur Detektierung einer Annäherung an das Sofa müsste

ein weiterer kapazitiver Sensor z.B. in den Fußbereich oder in einen vor dem Sofa liegen-

den Teppich integriert werden. Zur Bestimmung der Höhe eines Objektes auf dem Sofa

sind weitere Elektroden im Rückenkissen erforderlich. Wie in Kapitel 6.1.3 beschrieben

könnte dies mit vier sich kreuzenden streifenförmigen Elektroden umgesetzt werden, so-

dass sich auf dem 400 mm hohen Kissen zwei Sensorpunkte im Abstand von ca. 130

mm übereinander befinden.

8 GEGENÜBERSTELLUNG DER SENSORTECHNOLOGIEN 71

8 Gegenüberstellung der Sensortechnologien

In diesem Kapitel werden die Sensortechnologien bezüglich ihrer Wirkungsweise, der

Entwicklungsphase sowie der Prototypenfertigung verglichen. Dabei wird auf folgende

Kriterien eingegangen: sensorische Fähigkeit, Komplexität des sensorischen Aufbaus,

Komplexität der Fertigung, zeitlicher Aufwand der Entwicklung, Ergebnisstand des Pro-

totyps sowie Anregungen für die industrielle Fertigung.

Kapazitiver Sensor

Der kapazitive Sensor besitzt den komplexesten Aufbau. Er besteht aus einem mehr-

schichtigen Sensorarray aus Elektrode, Guard und Schirmung. Hier entstanden konzep-

tionelle Herausforderungen bei der Zusammenführung von Elektrode und Schirmung,

die im Verhalten des kapazitiven Feldaufbaus bei den leitfähigen textilen Flächen imple-

mentiert sind. Bedingt durch die Eigenschaften der oberflächenleitfähigen textilen Flä-

chengebilde, Fäden und Klettverschlüsse ergaben sich spezielle Anforderungen, die bei

der Fertigung berücksichtigt werden mussten. Es zeigte sich, dass nicht jede oberflä-

chenleitfähige textile Fläche als Elektrode und Schirmung geeignet war. Da bezüglich

textiler Elektroden auf kein Fachwissen zurückgegriffen werden konnte, basieren die Er-

kenntnisse auf den empirischen Untersuchungen der Entwicklungsphase und erforder-

ten die Durchführung ausgewählter physikalischer Prüfungen. Demzufolge ergab sich

hier ein sehr hoher Test- und Entwicklungsaufwand. Bezüglich der Materialkosten ist

diese Sensortechnologie sehr aufwendig, da die gesamte Kissenhülle sowie zusätzli-

che Sensorelemente aus leitfähigem Material gefertigt werden müssen. Ferner werden

zusätzliche textile Komponenten wie leitfähigem Klettverschluss, leitfähigem Zwirn und

Nähgarn benötigt. Hinzu kommen die Kosten der elektronischen Komponenten pro Kis-

sen, bestehend aus dem CapSense und dem Sensor aus der Sicherheitstechnik sowie

Kabel.

• Textile Fläche: viel und teuer da leitfähig (> ca. 60 e/ m)

• Textile Komponenten: viele

• Elektronik: viel und teuer (ca. 500 e)

• Konstuktion: dreilagig

• Herstellung: aufwendig

Es ist denkbar, statt der Aktivierung der vorderen Elektrode das Kissen offen zu lassen,

sodass eine Annäherung durch die inneren Elektroden detektiert wird. In diesem Fall


entfiele der Sensor aus der Sicherheitstechnik im Wert von ca. 300 e.

Der Ergebnisstand des Prototyps ist der Zielsetzung entsprechend und ermöglicht

erfolgreich Objektdetektierungen bei Annäherung und Kontakt, die durch die Software

von Oliver Dreschke Masterarbeit (2011) ausgewertet und durch ein 3D Model sowie

einer graphischen Darstellung visualisiert werden können. Bei einer industriellen Ferti-

gung bietet es sich an, die im vorliegenden Fall mit einem Handbügeleisen verbundenen

Materiallagen (Visofix Klebe) durch einen Fügeprozess per Fixierpresse zu verbinden.

Gestickte Leiterbahnen sowie Anschlüsse können durch einen Stickautomaten erstellt

werden.

Resistiver Sensor 1

Gegenüber dem kapazitiven Sensor ist derresistive Sensor 1 einfacher aufgebaut. Le-

diglich zwei Lagen werden benötigt, um als Trägermaterial die aufgestickten Sensorfä-

den zu führen, eine partielle Zwischenlage im Bereich der Sensorpunkte ermöglicht bei

Krafteinwirkung progressiv einen elektrischen Stromfluss. Durch den zweilagigen Auf-

bau aus Dobby sowie den eingearbeiteten Streifen des Ripstopgewebes mit Folie besitzt

der Kissenbezug sehr geringe Materialkosten. Die Umsetzung der Leiterbahnenstickerei

erwies sich durch den Gebrauch des Spezialnähmaschinenfußes als gut durchführbar.

Für ein optisch gutes Ergebnis war eine exakte Arbeitsweise beim Sticken erforderlich.

Die Entwicklungsphase wurde zeitlich durch die Suche nach einem geeigneten hoch-

ohmigen Zwischenlagenmaterial bestimmt. Es fanden sich einige Materialien, die dem

von Plusea genutztem Velostat entsprachen, beim Testlauf aber nicht die erforderlichen

Eigenschaften aufwiesen. Bewertend lässt sich zusammenfassen:

• Textile Fläche: weniger und günstig (ca. 5 e/ m)

• Textile Komponenten: viele

• Elektronik: nur ein Mikrocontroller notwendig (ca. 250 e)

• Konstuktion: zwei/ dreilagig

• Herstellung: einfacher

Im Hinblick auf eine industrielle Fertigung ist es ratsam, die verwendete Folie durch ein

entsprechend textiles Material zu ersetzen und damit die Vorteile eines vollständig texti-

len Aufbaus geltend zu machen. Des Weiteren sollten sämtliche Applikationen von einem

Stickautomaten ausgeführt werden. Die Umsetzung des Prototypen war erfolgreich.


Resitiver Sensor 2

Der resistive Sensor 2 ist in seinem sensorischen Aufbau am einfachsten konstruiert.

Der Aufbau beschränkt sich auf eine einzige Materiallage aus Dobby, auf welchem der

Sensorfaden aufgestickt ist. Für die Fertigung der Stickerei musste herausgefunden wer-

den, welche Stichbreite sowie Stichdichte zu einem guten Ergebnis des entwickelten

Musters führt. Bei einer wie im vorliegenden Fall manuellen Fertigung ist eine exakte

Arbeitsweise und Übung für die Stickerei Voraussetzung, da anderweitig unerwünschte

Fadenkontakte auftreten. Des Weiteren setzte die verwendete Elektronik einen Wider-

stand von 100 Ω pro Sensorpunkt voraus, was die Fertigung maßgeblich beeinflusste.

Diese Anforderungen bestimmten den zeitlichen Aufwand der Entwicklung sowie der Fer-

tigung. Die Materialkosten beschränkten sich auf den Dobby sowie den leitfähigen Zwirn.

Die erforderliche Elektronik setzte sich aus einem Arduino, Widerständen sowie Kabel

zusammen.

• Textile Fläche: wenig und günstig (ca. 5 e/ m)

• Textile Komponenten: weniger

• Elektronik: nur ein Mikrocontroller notwendig (ca. 250 e)

• Konstuktion: einlagig

• Herstellung: einfach

Für eine industrielle Fertigung empfiehlt sich der Kauf eines Stickautomaten. Die Umset-

zung dieser Sensortechnik in einen Kissenprototyp wurde nicht vorgenommen, weil dies

den Umfang und den zeitlichen Rahmen dieser Arbeit gesprengt hätte. Der Sensor ar-

beitet erfolgreich mit der von Oliver Dreschke, Masterarbeit 2011 entwickelten Software.

9 AUSBLICK 74

9 Ausblick

Die in dieser Forschungsarbeit entwickelte Sensortechnologie ist über den vorgese-

henen Anwendungsbereich einer Sitzpositions- und Belastungsbestimmung im Sofa

hinausgehend auch in weiteren Anwendungsbereichen einsetzbar. Ein flexibler struk-

tureller Aufbau ermöglicht bei Angleichung der Polsterbezugsgröße und geeigneter

Unterpolsterung die Integration in jedes beliebige Sofa. So sind auch personenspezi-

fische Steuerungen raumumgebender Funktionen wie Licht oder Radio in Standorten

wie Museen, Kunstinszenierungen, Yachtsalons, Hotels etc. realisierbar. Über die Be-

stimmung der Sitzposition lässt sich der Anwender optimal in die Ausrichtung von Licht

oder Klang einbeziehen und die Ausgabeelemente können bei Veränderung sofort an-

geglichen werden. Darüber ist z.B. ein stets ausgewogenes Klangerlebnis einer Dolby

Sorround Anlage umsetzbar.

Weitere Einsatzbereiche der kapazitiven Sensortechnologie sind im Bereich des Am-

bient Assisted Living (AAL) - „Altersgerechte Assistenzsysteme für ein gesundes und

unabhängiges Leben“19 vorstellbar. Ambient Assisted Living unterstützt in individuel-

ler Weise mit Methoden, Konzepten, Systemen und Dienstleistungen das alltägliche

Leben gesunder älterer, multimorbider Menschen und Menschen mit Behinderungen.

Die Unterstützung erfolgt situationsabhängig und unaufdringlich, wobei verschiedene

Technologien für eine effiziente Verbesserung der Lebensqualität vernetzt und modular

aufgebaut sein können. Ambient Assisted Living folgt dabei dem Trend älterer allein-

lebender Menschen, die auf Grund des demographischen Wandels in zunehmender

Zahl unsere Gesellschaft ausmachen und noch im hohen Alter Anspruch auf ein selbst-

ständiges Leben im häuslichen Umfeld zeigen. Dem daraus resultierendem erweiterten

Kommunikations- und Sicherheitsbedürfnis ist Rechnung zu tragen. Hier wird die Technik

wirksam. Über ein smartes Teppichunderlay mit kapazitiver Sensortechnologie lassen

sich Personenstürze detektieren und ein Alarm kann Hilfe anfordern. Diese erfolgt bei

einem Einmann-Personenhaushalt von auswärts oder in Alten- oder Pflegeeinrichtung

durch Personal vor Ort. So ist akute ärztliche Betreuung ohne zusätzliche Personalkos-

ten realisierbar.

Über kapazitive Sensoren lassen sich bei stark abweichenden Personenmassen wie

einem Kind, Haustieren, einem Erwachsenen oder Personengruppen über den Was-

seranteil der Masse Personen unterscheiden. Bei großflächiger Verarbeitung unter

Teppichauslegware könnte ein smartes Teppichunderlay zu kontextsensitiver Auswer-

19Zitat: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Ambient Assisted Living, http://www.aal-deutschland.de/, 26.12.2010.

9 AUSBLICK 75

tung von Personenbewegungen im Raum dienen. Betreten bspw. eine Katze und eine

Personen in einer privaten Wohnumgebung von unterschiedlichen Seiten den Raum,

bewegen sich in diesem, kreuzen die Wege und gehen wieder auseinander, so ist

nachvollziehbar, wer in welcher Richtung den Weg im Zimmer fortsetzt. Verlässt die

Person den Raum, so muss im anschließenden Raum das Licht angehen, für die Katze

hingegen wird kein Licht aktiviert. Des Weiteren ist ein smartes Teppichunderlay als

sensitive Fußmatte für den Einbruchschutz denkbar.

Bei der Anwendung von textilen kapazitiven oder resistiven Sensoren im Öffentli-

chen Personennahverkehr - ÖPV oder Fernverkehr ließe sich über Personenmonitoring

die Einsatzplanung optimieren. Es können Stoß- und Leerzeiten detektiert und flexibel

reguliert werden.

Bei den genannten Einsatzbereichen ist es erforderlich, dass die Innovation positive

Resonanz und Akzeptanz beim Anwender findet. Dies ist durch eine fundierte Marke-

tingstrategie sowie den Rückhalt im Handel umsetzbar.

Die entwickelte Sensortechnologie ist für Polstermöbel vorgesehen. Diese sind als

Home Accessoires im hochpreisigen Segment angeordnet und bilden daher eine gute

Basis für die Akzeptanz steigender Verkaufspreise durch integrierte Technik. Darüber

hinaus handelt es sich um ein Produkt mit erwartungsgemäß hoher Lebensdauer,

woraus sich an die Technik besondere Qualitätsansprüche ableiten lassen, um einer

vorzeitigen Entsorgung aufgrund technischer Defekte vorzubeugen.

Diesen Herausforderungen gerecht zu werden und mit Ideen und Fachwissen neue

Entwicklungen interdisziplinär voran zu treiben, stellt die Aufgabe der Textil- und Beklei-

dungsindustrie in den kommenden Jahren dar.

Glossar 76

Glossar

Crimpverbindung Verbindung, bei der auf die Enden eines Kabels

meist mit speziellen Crimpzangen Stecker aufge-

presst werden., 57

Elektrosmog Engl. smoke = Rauch und engl. fog = Nebel, Um-

gangssprachl. Bezeichnung für die Gesamtheit

aller künstlich erzeugten elektrischen, magneti-

schen und elektromagnetischen Felder und Wel-

len, die Mensch und Umwelt belasten., 14

Halbschelle Zwei halbrunde, durch Schrauben regulierbare

Metallelemente, eingesetzt zu Befestigungszwe-

cken in der Licht- und Tontechnik., 32

Kaltschaum Hochwertiger Polyetherschaumstoff, der meist im

Blockschaumverfahren hergestellt wird und als

HR - High Resilent - hochelastischer Schaumstoff

einen weichen Griff sowie einen hochelastischen

Polsterkomfort erreicht. Die unregelmäßige, grob

- offenzellige Porenstruktur ermöglicht eine ho-

he Luftdurchlässigkeit und einen guten Feuchte-

transport. (FoamWorld GmbH & Co. KG, 2010),

5

Kapazität, elektrische Eine physikalische Größe aus dem Bereich der

Elektrostatik, die den Proportionalitätsfaktor zwi-

schen der elektrischen Spannung U und dem

elektrischen Fluss Ψ ausdrückt, 14

Loden Wollgewebe in Leinwand oder Köperbindung,

gewalkt und gerauht, z.T. imprägniert und als

Wetter- oder Reisebekleidung meist in typ. Grau

oder Grüntönen gefertigt., 49

MacMini Desktop-PC der Firma Apple mit einem sehr klei-

nen Formfaktor, 18

Glossar 77

Multimorbidität ‘multi’ - viele und ‘Morbus’ - lateinisch: Krankheit,

beschreibt das gleichzeitige Bestehen mehrerer

Krankheiten bei einer einzelnen Person., 74

Raumgewicht Das Raumgewicht RG ermittelt sich aus der Mas-

se eines Flächengebildes zu seinem Volumen

und berücksichtigt bei porigen Körpern die ein-

geschlossene Luft. Es wird in kgm3 angegeben und

gilt im Polstermöbelbereich als Qualitätsmerkmal

des verwendeten Schaumstoffes. Je höher das

Raumgewicht bei gleich bleibender Härte ist, de-

sto besser sind die Gebrauchseigenschaften da

der Schaumstoff eine hohe Elastizität bei gerin-

ger Materialermüdung aufweist., 5

Smart Clothes Der Begriff Smart Clothes kommt aus dem Eng-

lischen und setzt sich aus smart - schlau/intelli-

gent und clothes - Kleidung zusammen. Er be-

deutet also direkt übersetzt intelligente Kleidung.

[...] In der Fachliteratur fehlt jedoch die eindeu-

tige Definition von Smart Clothes, allenfalls sind

Umschreibungen zu finden, die die Autoren je

nach Verwendungszweck unterschiedlich ausle-

gen. [...] Jedoch hilft die Untergliederung der

Smart Clothes in so genannte Intelligenzstufen.,

7

Vigilanz lat., vigilis - wachsam, vigilantia - Wachsam-

keit. Vigilanz ist der medizinische Begriff für den

Wachheitsgrad., 11

Visofix Klebevlies zum Verbinden zweier textiler Flächen,

46

Glossar 78

A ANHANG 79

A Anhang

A.1 Materialübersicht

Tabelle 20: Materialübersicht

A ANHANG 80

A.2 Prüfung der Scheuerfestigkeit

Tabelle 21: Ergebnisse der Scheuerfestigkeit

A ANHANG 81

A.3 Prüfung der Zugfestigkeit

Tabelle 22: Ergebnisse der Zugfestigkeit

A ANHANG 82

A.4 Oberflächenwiderstandsprüfung (unbehandelt)

Tabelle 23: Ergebnisse der Prüfung des Oberflächenwiderstands (unbehandelt)

A ANHANG 83

A.5 Oberflächenwiderstandsprüfung (behandelt)

Tabelle 24: Ergebnisse der Prüfung des Oberflächenwiderstands (behandelt)

A ANHANG 84

A.6 Kapazitätsprüfung

Tabelle 25: Kapazitätsprüfung 1


A ANHANG 85


A ANHANG 86


A ANHANG 87

A.7 Belastungsstufen bei Plusea

Tabelle 29: Belastungsstufen lose Sensorfäden

A ANHANG 88

Tabelle 30: Belastungsstufen Musterstickerei(übergesteppt) kurzer Sensorfaden

A ANHANG 89

Tabelle 31: Belastungsstufen Musterstickerei(übergesteppt) langer Sensorfaden (Proto-typ)

A ANHANG 90

A.8 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Langform

bzgl. bezüglichbzw. beziehungsweised.h. das heißtet.al. et alteraggf. gegebenenfallsHrsg. Herausgeberi.d.R. in der Regelo.g. oben genannte(n)o.J. ohne JahresangabeS. Seite(n)sog. sogenannte(n)u.a. unter anderemu.U. unter Umständenz.B. zum Beispielz.T. zum Teil

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 91

Abbildungsverzeichnis

1 Intelligenzhierarchie nach Newnham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Modell des Living Place mit Wohn- und Entwicklungsbereich . . . . . . . 53 Der Wohnbereich im Living Place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Konstruktion des Wealthy-Prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Elektex Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Wirkungsweise der Sensorfäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Sensorverteilung bei Insitex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Aufbau des Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 CapSense Toolkit (Quelle: www.capsense.org) . . . . . . . . . . . . . . 1810 Arduino Microcontroller (Quelle: http://www.arduino.cc) . . . . . . . . . . 19

10.1 Duemilanove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1910.2 Mega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

11 Bilder der Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2011.1 3D-Modell des Sofas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2011.2 Messkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

12 Martindale-Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.1 Martindale-Gerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.2 Flusenablagerung bei der Scheuerprüfung . . . . . . . . . . . . . 24

13 Kraftdehnungskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2614 Messgrößenaufnehmer für den Oberflächenwiderstand . . . . . . . . . . 2915 Wirkungsweise eines kapazitiven Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 3216 Aufbau des Messgeräts zur Ermittlung der Kapazität . . . . . . . . . . . 32

16.1 (a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3216.2 (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3216.3 (c) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3216.4 (d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

17 Erste detektierbare Annäherung bei verschiedenen Materialien und Elek-trodengrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

18 Veränderung der Messwerte bei Annäherung . . . . . . . . . . . . . . . 3418.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3418.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

19 Vordere Elektrode und Schirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3920 Muster verschiedener Stichtypen beim Köper (offen) . . . . . . . . . . . 4021 Minimaler Abstand zwischen zwei Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . 4122 Innere Elektrode (Streifen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4223 Kreuzung von zwei länglichen Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . 4224 Miniatur-Kissenprototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4425 Nahtschaubilder der Verarbeitung von Schirmung & Elektrode . . . . . . 45

25.1 Mit kurzer Naht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4525.2 Mit durchgehender Naht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

26 Nahtschaubilder der Verarbeitung von Schirmung & Elektrode 2 . . . . . 4626.1 Verarbeitung entsprechend des Prototyps . . . . . . . . . . . . . . 4626.2 Verarbeitung für flauschige Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

27 Ausbreitung des elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 92

28 Aufbau der Plusea Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4929 Plusea Prototyp und Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

29.1 Plusea Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4929.2 Anschluss an den Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

30 Sensor-Matrix nach Plusea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5031 Gestickte Sensorfäden mit Velostat-Zwischenlage . . . . . . . . . . . . . 5332 Mäanderförmige Stickerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

32.1 Stickvorlage und fertige Stickerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5532.2 Mäanderförmige Stickerei mit Zwischenlage . . . . . . . . . . . . . 55

33 Gestickte Spiralform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5634 Gecrimpter Anschluss und Übergang zum Sensor . . . . . . . . . . . . . 5835 Anschlusselement mit Klettverschluss und Sensor . . . . . . . . . . . . 5936 Konstruktion des kapazitiven Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6237 Innere Elektrode mit Klettverbindungen und Leiterbahnen . . . . . . . . . 6338 Graphische Darstellung der Sensorreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . 65

38.1 Innere Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6538.2 Vordere Elektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

39 Schnittbild des Sitzkissens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6540 Aufgesteppte Sensorpunkte (Warenunterseite) . . . . . . . . . . . . . . 6642 Anschlusselement des resistiven Sensors 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 6741 Klett-Anschlusselement des Pluspols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6743 Sensorreaktion, visualisiert über das 3D Sofamodell . . . . . . . . . . . 69

43.1 Leichte Person sitzt vorne rechts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6943.2 Person mit mittlerem Gewicht sitzt hinten links . . . . . . . . . . . . 6943.3 Schwere Person sitzt hinten links, mittelschwere Person sitzt vorne

rechts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

TABELLENVERZEICHNIS 93

Tabellenverzeichnis

1 Materialübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Übersicht der durchgeführten physikalischen Prüfungen . . . . . . . . . 223 Zuordnung der Prüfungen zu den Materialien . . . . . . . . . . . . . . . 224 Kategorien zur Bewertung der Scheuerbeständigkeit . . . . . . . . . . . 235 Bewertungsintervalle für die Scheuerprüfung . . . . . . . . . . . . . . . 256 Prüfergebnisse der Scheuerbeständigkeit von Gewebe und Gewirk . . . . 257 Kategorien der Zugprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Ergebnisreihe der durchgeführten Zugversuche nach EN ISO 13934-1 . . 289 Oberflächenwiderstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3010 Fixiertest mit Einlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3511 Fixiertest mit Aufbügelbändern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3612 Übersicht der Prüfungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3713 Stichtypen für die Applikation eines leitfähigen Zwirns . . . . . . . . . . . 3914 Belastungsstufen eines resistiven Kraftsensorpunktes . . . . . . . . . . . 5115 Ergebnisse bei unterschiedlichen Belastungsstufen . . . . . . . . . . . . 5416 Anforderungen an den Prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6117 Ergebnisse unterschiedlicher Belastungsstufen des Sensors . . . . . . . 6818 Sensorische Fähigkeiten der Sensortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . 7020 Materialübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7921 Ergebnisse der Scheuerfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8022 Ergebnisse der Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8123 Ergebnisse der Prüfung des Oberflächenwiderstands (unbehandelt) . . . 8224 Ergebnisse der Prüfung des Oberflächenwiderstands (behandelt) . . . . 8325 Kapazitätsprüfung 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8426 Kapazitätsprüfung 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8427 Kapazitätsprüfung 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8528 Kapazitätsprüfung 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8629 Belastungsstufen lose Sensorfäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8730 Belastungsstufen Musterstickerei(übergesteppt) kurzer Sensorfaden . . . 8831 Belastungsstufen Musterstickerei(übergesteppt) langer Sensorfaden (Pro-

totyp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

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Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe selbständigverfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nachaus anderen Werken entnommene Stellen habe ich unter Angabe der Quellen kenntlichgemacht.

Hamburg, 10. März 2011 Ann-Kathrin Weiss

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